零中频接收机的第三个痛点--IQ不平衡

原创 加油射频工程师 2023-08-23 13:22

在零中频架构的一个痛点----直流偏移和二阶失真产物-零中频接收机的另一个痛点,讲了零中频接收机的两个痛点。

今天,来讲一下第三个,即IQ不平衡。

在零中频接收机中,接收到的RF信号,在经过射频前端的放大后,则通过正交混频器,下变频至两路正交的基带信号,就是我们平时所听说的I路和Q路信号。

实现这两路信号的正交,通常有两种方式,即对RF信号进行90度相移或者对LO信号进行90度相移,如下图所示。但是因为在射频通路中加入移相操作的话,需要综合考虑很多因素,比如对链路噪声的影响,对链路增益的影响等等,所以一般情况下,使用的是后者,即对LO信号进行90度相移。

I/Q不平衡的来源

IQ不平衡,是指I路和Q路信号的幅度不平衡和相位不平衡。

而这些不平衡,主要来自于两方面,一个是正交LO信号产生过程中带来的幅度和相位不平衡,另一个是来自基带链路本身的幅度和相位不平衡。

一般信号频率越高,引入的相位不平衡就越大,这也是零中频接收机中的IQ不平衡的影响要比超外差接收机中大的多的原因。

如下图所示,假设链路中的delay mismatch都为10ps,则对于5GHz的信号,引入的相位不平衡为18°,而如果频率降到1GHz的话,引入的相位不平衡则降低到3.6°。而且,由于频率越高,芯片内部的器件尺寸也就越小,所以器件之间的不平衡越严重,造成正交LO链路的不平衡也越严重。

另外,两路模拟基带信道中的增益,变化范围可能达到80dB,而且I路和Q路是两个不同的信道,经过不同的器件。通常来说,如果信号通过两个完全不同的信道的话,即使是RFIC内部,也难以实现完美的IQ匹配。而且基带信道中还要实现同步的增益控制,这就又增加了IQ匹配的难度。

IQ不平衡的影响

那IQ信道之间的不平衡,会造成什么影响呢?

假设有一个QPSK的调制信号,如下图所示,该调制信号,经过一个幅度和相位不平衡的正交混频器,然后变频至I路和Q路基带信号。

则变频后的基带信号的表达式,如下式所示。

考虑两种情况,分别是只有幅度不平衡和只有相位不平衡。

由上图可知,I路和Q路信道之间的幅度不平衡和相位不平衡,会造成星座图的失真。

那怎么解决IQ不平衡呢?

答案就是校准。

在有些标准中,要求的相位和增益不平衡指标很严苛,器件和layout本身的原始匹配是不能满足要求的。

所以,在很多高性能的系统中,I路和Q路的幅度和相位不平衡度都要进行校准,可以在开机时,也可以实时。

如下图所示,是开机时校准的一个例子。在开机的时候,给正交混频器的输入端输入一RF单音信号,然后在模拟基带或数字基带处观察基带信号。因为基带信号的频率比较低,所以他们的幅度和相位不平衡都可以准确测量。得到测量结果后,就可以对接收到的信号,在解调前,进行校正。

或者,实时进行校准,如下图所示。在LO和基带通路中,分别插入可调增益和可调相位的部件,然后调节这些器件,直到不平衡足够小。

参考文献:

[1]Qizheng Gu,RF SYSTEM DESIGN OF TRANSCEIVERS FOR WIRELESS COMMUNICATIONS

[2]razavi,射频微电子



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