[分享] IQ调制器的特性解析

Jacktang 2020-6-23 20:24 楼主

模拟 IQ 调制器包含 Mixer，在上变频的过程中，势必会产生镜频产物。当输出无频偏信号时，即信号中心频率与调制器的 LO 信号频率相同时，相当于采用的是 Zero-IF 机制，镜频产物与信号本身不可分割，即使通过滤波器也无法滤除镜频。庆幸的是，采用 IQ 调制及解调器，即使存在镜频产物，依然可以恢复出原始的 IQ 信号。这也是为什么模拟 IQ 调制器之后不需要镜频抑制滤波器的原因。

由于这种正交架构，IQ 调制器本身是具有一定镜频抑制能力的，但是只有在输出具有一定频偏的信号时，即信号中心频率与 LO 信号频率不同时，才能体现出镜频抑制特性。下面将通过一些特殊的基带 IQ 信号进行解析分析，阐述影响镜频抑制特性的因素，及如何改善镜频抑制特性。

1. IQ 信号幅度平衡性对镜频抑制的影响

IQ 信号幅度不平衡(即幅度不同)，要么是输入至调制器的 I 和 Q 信号的幅度不平衡，要么是调制器具有一定的增益不平衡(即 I 和 Q 两路的增益不同)，这些都会影响对镜频的抑制能力。

令 i(t)=Acoswbt，q(t)=sinwbt，则经过 IQ 调制输出的射频信号 s(t)为

s(t)=Acoswbt· coswct - sinwbt · sinwct

积化和差得

s(t)=0.5(A+1)cos(wc+wb)t + 0.5(A-1)cos(wc-wb)t

当 A=1 时，射频信号中只有上边带(wc+wb)分量；

当 A=-1 时，射频信号中只有下边带(wc-wb)分量；

当 A≠±1 时，射频信号中同时包含上边带(wc+wb)和下边带(wc-wb)两个分量。

以上通过解析方式介绍了 IQ 调制器的镜频抑制特性，其实通过图解方法也可以清晰简便地进行说明。下面考虑 A=1 的情况，图 1 给出了载波信号的傅里叶变换，这是双边带频谱，基带信号经过 IQ 调制器实现了频谱的搬移，图 2 分别给出了调制器两个支路上的频谱变换情况，最终经过合路器合路后，下边带分量相互抵消，只剩下上边带分量。

图 1. 载波信号的傅里叶变换(双边带频谱)

图 2. IQ 调制过程频谱变换示意图

当 A≠±1 时，射频信号中同时包含上下边带，定义边带抑制比为：20lg│A+1│/│A-1│ (dB).

如何改善镜频抑制能力呢？

IQ 调制器两个支路的增益不平衡特性已经无法调整，但是可以在基带侧通过调整 I 和 Q 两路波形的幅度大小改善镜频抑制。矢量信号发生器 VSG 及任意波信号发生器 AWG 均提供了 IQ Gain Imbalance 调整参数，对其进行微调即可改善镜频抑制。

2. IQ 正交性对镜频抑制的影响

正交性包括两个方面：(1) 基带信号 I 和 Q 之间的正交性；(2) IQ 调制器两个 Mixer 的 LO 信号之间的正交性。如果正交性不好，当产生无频偏的数字调制信号时会带来调制和解调的误差(EVM、BER 恶化)，另一方面在产生单边带信号时，会恶化镜频抑制特性。

令 i(t)=cos(wbt+ϕ)，q(t)=sinwbt，则 IQ 调制器输出的射频信号为

s(t)=cos(wbt+ϕ)· coswct - sinwbt · sinwct

积化和差得

s(t)=0.5(1+cosϕ)·cos(wc+wb)t-0.5sinϕ·sin(wc+wb)t-0.5(1-cosϕ)·cos(wc-wb)t+0.5sinϕ·sin(wc-wb)t

对于(wc+wb)分量，令 a=0.5(1+cosϕ)，b=0.5sinϕ，则取θ满足如下关系：

cosθ=a/√( a2+b2)，sinθ=b/√( a2+b2)

类似地，对于(wc-wb)分量，令 c=0.5(1-cosϕ)，b=0.5sinϕ，则取θ1 满足如下关系：

cosθ1=c/√(c2+b2)，sinθ1=b/√(c2+b2)

以上公式代入 s(t)，最终可得

s(t)=0.707√(1+cosϕ)·cos[(wc+wb)t+θ]+0.707√(1-cosϕ)·cos[(wc-wb)t-θ1]

由正交误差ϕ造成的镜频抑制度为：10lg(1+cosϕ)/(1-cosϕ) (dB).

以上是从基带 I 和 Q 信号的正交性着手分析对镜频抑制特性的影响，如果基带信号理想正交，而 IQ 调制器两个 Mixer 的 LO 正交性不好，整个推导过程是类似的，此处不再赘述。当然，IQ 调制器的特性已经固定，只能通过调整基带信号的正交性改善镜频抑制能力。

3. IQ 调制器的载波抑制特性

IQ 调制器除了可以抑制镜频外，在数字调制过程中还可以抑制载波。理论上，只要模拟 I 和 Q 信号中没有 DC 分量，而且 IQ 调制器是理想的，那么输出的射频宽带信号中将没有载波。但是实际产生的宽带信号总是具有一定的载波泄露，来源于两部分：(1) IQ 信号中包含一定的 DC 分量；(2) IQ 调制器中 Mixer 的 LO 泄露。

对于数字调制信号而言，载波泄露是一种带内干扰，如果载波分量较强，将直接影响整个系统的通信质量。因此，要尽量降低载波泄露。通常在基带侧微调 I Offset 或者 Q Offset 来改善载波抑制特性，这相当于引入 DC 分量，如果设置的 DC 的量和极性合适，I 和 Q 两路引起的载波泄露将相互抵消，甚至可以抵消 Mixer 的 LO 泄露带来的影响。

以上介绍了 IQ 调制器的镜频抑制及载波抑制特性，这些都是 IQ 调制器固有的特性，也是性能验证测试中必测的项目。此外，IQ 调制器还有幅频响应、三阶交调等参数，这些也都是需要测试的。