零中频接收机iq不平衡数字域校准分析

张哲

【摘要】    零中频接收机有功耗低、易于集成等优势，广泛应用于消费类电子产品和多模通信平台。但零中频接收机的缺点在于性能较差，究其原因，主要是因为器件不匹配和电路PCB布局误差造成的iq不平衡。关于零中频接收机iq不平衡校准的研究通常集中在窄带信号校准方面，也就是接收机的不平衡度不变，这会产生频率相关性，增加不平衡校准的困难。鉴于此，本文就零中频接收机iq不平衡数字域校准展开具体分析，以期同仁参考。

【关键词】    零中频接收机    iq不平衡    校准

引言

射频接收机技术是无线通信系统中的重要组成部分，但因为噪声的影响，在一定程度上放大了射频接收机的信号，影响对信号的甄别，同时也影响了接收机的灵敏度。零中频接收机是一种新型的接收机架构，其电路结构简单、功耗低，但在使用过程中不可避免地存在iq不平衡的问题，对接收机的性能产生不良影响。同时，iq不平衡加剧了接收端的镜像干扰，解决上述问题的方式主要有优化电路设计、数字域补偿校准两种。

一、零中频接收机

零中频接收机又称为直接变频接收机，指的是通过把射频信号的中心频率更改为零频。在零频接收机中，本振频率与信号载波频率保持一致，通过正交混频，在低噪放的情况下，把其转变成两路零中频基带信号，也就是I路和Q路，所以并没有使用到镜频信号，并不使用高Q值的镜像抑制滤波器，同时还能使用单片集成低通滤波器，替换中频信号，这在一定程度上提高了电路的集成度。

零中频接收机主要有以下优点：

第一，电路简单、功耗低，电路简化，器件少。

第二，方便集成。因为并不适用片外高Q值滤波器，这提高了系统集成度，但相较于超外差接收机，其存在很多缺点，主要体现在以下方面：一是本振存在严重泄漏情况，受到器件隔离度的影响，有些信号会泄漏到RF端口，基于天线辐射的影响，对邻近信号道有不同程度的影响。

第三，直流偏置，主要是因为零中频，并没有把直流偏置从有用信号中分离出来，且直流偏置过大会造成后端过于饱和。

第四，出现iq不平衡，受到器件工艺因素的影响，很难确保同相和正交两路信号的幅度相同。

二、零中频接收机iq不平衡分析

通常情况下，零中频接收机主要使用莹正交下变频结构，因此在接收机的设计方面，有以下要求：本振效率相同的两路正交本振信号;放大器、混频器、LPF对信号的传输环境要相同。但在具体的硬件电路中，通过电路设计PCB布局的误差，会影响I路、Q路信号的相位误差，这会干扰镜像信号。因为宽带零中频接收机中，LPF、ADC、混频器和放大器，直接影响到I、Q两路信号与频率，也就是不同评率下信号的相位误差存在差异，增加了电路设计的难度，同时更会影响其性能。

为了对零中频接收机中的iq不平衡情况进行深入的分析，构造如图1所示，把LO的不平衡当作频率独立不平衡，把LPF、ADC、混频器和放大器等对信号的影响当作一个滤波器，I路频率响应为H1（f），Q路频率响应为Hq（f）。

r（t）为接收的射频信号，载波频率为ωc，r（t）可写成下列形式：

r（t）=Re{z（t）exp（jωct）}

=z1（t）cos（ωct）-zq（t）sin（ωct）

其中z（t）=z1（t）+jzq（t），说明接收机在没有iq不平衡时接收到的理想信号等效基带形式。最先考虑的是窄带下的iq不平衡，由此來看，幅度与相位之间的不平衡是有规律可循的，即和频率并无关联，并设想这种iq不平衡是由本振造成的，其表达式为：

xl0（t）=cos（ωl0t）-jasin（ωl0t+）

=K1e-jωl0t+K2ejωl0t

三、零中频接收机iq不平衡数字域校准方法

3.1开环校准方法

3.1.1建构查找表

在零中频接收、输出射频信号位于开环状态时，通过对iq不平衡的校准，在数字基带输出芯片FPGA中创建查找表（LUT）。

通过变革LUT索引，改变对应幅值、相位、iq两路直流偏置，如表1所示。

相邻索引对应的校正因子要设置变化，检查步长是否科学。在实践操Z作中，通过观察输出射频调制信号功率谱。比如，在对相位的校正过程中，在选择索引B0到Bn，在这种情况下，可增加至Bm+1…最大限度降低镜像信号功率。

3.1.2校准具体操作

在校准数字域的过程中，校准iq两路直流偏置，通常是借助校正因子的加减来实现的，校正幅值是对校正因子进行乘除，应用移位运算，借助投影原理来实现相位的校准。I、q信号相互正交，I·Q=0，这主要是因为实际相位误差造成的。如果I·Q≠0，这能实现I或Q的固定，采用移位运算的方法求出三角函数，实现输出I和Q的正交，做好相位校正的操作。因此，使用简单的移位运算能对相位、直流间的偏置进行校正，从而提高其硬件功能。

3.2闭环校准方法

3.2.1基本方法

通过输出耦合射频，把其变频至基带，校正数字域FPGA。环路反馈iq信号分别是I（t-?1）和Q（t-?1）（?1表示环路时延），复信号Z（t）=I（t）+jQ（t）;复信号自适应校正后输出基带IQ信号分别是I（t-?2）和Q（t-?2）。

3.2.2环路延时估计方法

环路延时?1在环境、温度的变化情况中，也会产生相应变化，所以要对其实时观察。通过整倍数进行延时估计，操作相对简单，主要是在数字域芯片内完成的，这主要是用功能数据流进行计算的，即：

?1（m）=max（n+m）·z*（n）

3.2.3方法方针

按照iq不平衡原理，把1MHz的单音测试信号输入在内，采用正交调制器602MHz本振予以变频输出。如果变频产生0.03单位直流偏置误差、0.8dB幅度误差、1°相位误差，在603MHz处输出频谱能实现a信号的调制，并会在602MHz上产生镜像c信号和载漏b信号。依托开环校正方法，结合超招标，开展位移和加减运算，让镜像下降约30dB。在射频段耦合输出，预估环路延时23个单位，得出环路反馈iq信号，通过闭环校正方法的使用，载漏和未校准前后下降了15dB、10dB。与此同时，能对矫正前后的调制信号进行观察。在进行校准后，矢量点与理想情况所偏离，差异明显。整体上看，开环校准的效果要显著高于闭环效果，但这会受到周边环境的变化影响。这主要是由于闭环校正提高了下变频的不稳定因素，造成闭环校正效果优于开环校正，这说明该方法是有用的。

四、物理实现验证

通过在DDS（直接数字式频率合成器）中输入472kHz的单音测试信号，采用正交调制的方法，对滤波器进行重构，保证其频率在601MHz载波左右，使用开环校准方法，对频谱仪进行观察，结果表明残留镜像相较于之前下降了约20dB，让载漏信号比较准前降低了40dB。

总之，零中频接收机中的正交误差，这会影响其载漏、镜像等信号，出现不同程度的干扰，在一定程度上减少了调制信号的信噪量。本文中提出的校准iq，并不是理想状况下的开环和闭环方法，其主要是在内容、数字等方面建构查找表，提出了具体方法和操作，并对环路延时的估计方法进行了说明，结果证实，该方法能最大限度降低镜像信号和载漏的功率，提高调制信号的信噪比。

参  考  文  献

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