IQ寬帶調(diào)制器實(shí)現(xiàn)寬帶無線電通信設(shè)計

現(xiàn)代數(shù)字無線通信發(fā)射機(jī)的設(shè)計給設(shè)備設(shè)計者們帶來了越來越多的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)吞吐量不斷提升的趨勢，使得所發(fā)射信號的調(diào)制密度和載波帶寬也隨之增加。由于更高階次的調(diào)制方法的采用，峰均值比例也要增加。因此，在傳送相同的rms功率電平信號時，要保持良好的相鄰信道功率比，就要使用互調(diào)失真范圍更大而噪聲更小的器件。

基帶、IF（中頻）和RF（射頻）帶寬在信道中傳輸時必須要保持平坦，以便維持調(diào)制載波的頻譜形狀。而且，如果運(yùn)用了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，高次諧波就必須能通過基帶輸入，增益的平坦性也需維持到三次諧波頻率分量。當(dāng)射頻發(fā)射機(jī)設(shè)計需要在非常寬的RF頻率范圍上工作時，整個信號鏈的RF增益的平坦度是設(shè)計的關(guān)鍵。最大限度減小信號鏈增益隨著頻率的變化而出現(xiàn)的波動，就可以減輕信號鏈規(guī)劃和預(yù)算安排的負(fù)擔(dān)。本文將專注于IQ調(diào)制器的討論，它是現(xiàn)代發(fā)射機(jī)中一個關(guān)鍵的組成部分。

IQ寬帶調(diào)制器

ADL5385是一種IQ寬帶調(diào)制器，使用了一個2x的本地振蕩器來實(shí)現(xiàn)五倍頻程（50MHz～2.2GHz）的工作范圍。此外，它還集成了一個溫度傳感器，其RF輸出還可以直接驅(qū)動一個50?的負(fù)載。

圖1  ADL5385結(jié)構(gòu)框圖

IQ調(diào)制器可將基帶信號的頻率通過混頻電路平移到RF頻譜中所要求的位置上。它包含一個來自于本地振蕩器的輸入，其可分解成同相和正交分量。這兩個信號驅(qū)動各自的混頻器，而這些混頻器還受到同相和正交基帶信號驅(qū)動。來自這兩個混頻器的輸出相加后可以產(chǎn)生一個RF或者IF頻段的調(diào)制載波。ADL5385不但包含這些基本的模塊，還采用一個“一分為二”的有源LO分配器來取代傳統(tǒng)的無源多相濾波器，故可以實(shí)現(xiàn)寬達(dá)五個10倍頻程的調(diào)諧范圍。圖2所示為ADL5385的寬帶特性，在整個輸出頻率范圍內(nèi)，其輸出功率有著非常平坦的響應(yīng)，1dB帶寬達(dá)到1300MHz。

圖2  不同溫度下的系統(tǒng)單邊帶輸出

用誤差向量大小衡量信號質(zhì)量

誤差向量（EVM）可以用來衡量信號調(diào)制的質(zhì)量，它直接受到調(diào)制器內(nèi)積分和幅度誤差的影響。通過觀察單邊帶頻譜中的邊帶抑制程度可以測量出積分和幅度誤差的大小。從圖2中還可以看出，ADL5385 IQ調(diào)制器未經(jīng)補(bǔ)償?shù)倪厧б种颇芰υ?00MHz以內(nèi)都低于-38dBc。一般來說，這樣的邊帶抑制能力可以保證EVM大小能更容易地為大多數(shù)通信標(biāo)準(zhǔn)所接受。如果需要更高的性能，則可以通過調(diào)整基帶信號的相對幅度和相位來使邊帶抑制性能達(dá)到最優(yōu)化。

圖3中的頻譜、星座圖和眼圖是利用5.056941 MSym/s的隨機(jī)數(shù)據(jù)借助α參數(shù)為0.18的濾波器產(chǎn)生的。對典型的有線調(diào)制/解調(diào)器頭端來說，這一信號足以逼真地模仿其數(shù)據(jù)傳輸率和調(diào)制性能?？梢钥闯?，這個信號的EVM大小是0.33%rms，它的積分誤差是0.27°，增益誤差是0.003dB。

圖3  64－QAM（正交幅度調(diào)制）載波在350MHz下的頻譜、星座圖和眼圖

圖3中的性能參數(shù)是在未對基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償?shù)那闆r下獲得的。上述特性連同很寬的RF調(diào)諧范圍，使得該調(diào)制器不需要經(jīng)過出廠前的校準(zhǔn)就可以投入使用。這可以大大減少在設(shè)計和制造上所需花費(fèi)的時間和精力。

信號質(zhì)量和功率電平

圖4示出了在同一種64-QAM調(diào)制載波的情況下，ACPR（相鄰信道功率比）隨輸出功率所發(fā)生的變化。其中，碼率為5.056941MSym，濾波器α系數(shù)為0.18，相鄰信道帶寬為5.25MHz。

圖4  64－QAM相鄰信道功率比隨輸出功率的變化情況

ADL5385 IQ調(diào)制器的低失真特性，使之能達(dá)到很高的輸出功率電平，而對相鄰信道的泄漏最小。這樣，射頻系統(tǒng)后續(xù)電路級的增益可以降低。
　　
“一分為二”（1/2）分配器實(shí)現(xiàn)了寬帶操作

有線調(diào)制解調(diào)器頭端之類的系統(tǒng)，必須能在40～900MHz范圍內(nèi)動態(tài)的放置載波。用無源的電阻電容多相網(wǎng)絡(luò)將LO分解成相互正交分量的傳統(tǒng)調(diào)制器，并不能達(dá)到這么寬的頻率范圍。這是因?yàn)樽枞菥W(wǎng)絡(luò)只能針對一個特定的中心頻率進(jìn)行調(diào)諧，而且其有效范圍只能覆蓋兩倍頻程。使用IQ調(diào)制器可將基帶信號上變頻到電纜傳輸頻帶以上的IF頻段，該頻率大約為1100 MHz。該IF信號隨后通過混頻器實(shí)現(xiàn)降頻，進(jìn)入電纜頻帶。這些解決方案需要使用更多的器件，其設(shè)計的復(fù)雜性增加了人們在設(shè)計上所花費(fèi)的時間和精力。顯然，如果上述信號鏈可以被簡化為單級式直接發(fā)射架構(gòu)的話，系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度都可以得以降低。

ADL5385利用“二分”型LO分配器來克服傳統(tǒng)IO調(diào)制器只能覆蓋兩個倍頻程的局限性。圖5示出了這種結(jié)構(gòu)，從圖中可以看到LO信號和其反相信號分別成為兩個D型觸發(fā)器的時鐘信號。在ADL5385中，反相信號是通過讓輸入到形成差分構(gòu)形的兩個D觸發(fā)器上的某個信號的極性顛倒而得到的。對圖5中時序進(jìn)行仔細(xì)的觀察，就會發(fā)現(xiàn)，保證所施加的LO信號處在RF輸出頻率的1/2頻率上且LO信號的占空比恰好是50％，將是非常重要的。任何50％的偏移都將對90°的信號分離特性產(chǎn)生不利影響，而這接下來還會影響邊帶的抑制能力。

圖5  ADL 5385IQ調(diào)制器使用了一個“二分”分相器電路

大基帶帶寬可增加數(shù)據(jù)容量.

在單通道調(diào)制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)容量可利用更高階次的調(diào)制方案或更大的頻帶寬度來予以提升。圖６示出ADL5385的歸一化的基帶頻率響應(yīng)。由于載波帶寬增加，如何在載波信號的頻帶寬度范圍上保持一個平坦的增益就成為難點(diǎn)。如果增益波動太大，則可能在數(shù)字域中進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。這個處理過程將需要每個射頻頻率下響應(yīng)特性的測量結(jié)果，并會增加設(shè)計的復(fù)雜性并提高射頻系統(tǒng)的制造成本。ADL5385在寬達(dá)85MHz的范圍內(nèi)可以保證0.1dB的基帶增益平坦度。這就意味著對于大多數(shù)的應(yīng)用來說，無需實(shí)行任何類型的預(yù)補(bǔ)償。

圖6  ADL5385基帶歸一化頻率響應(yīng)

與基帶IQ DAC的無縫接口

ADL5385能與Analog Devices公司的Transmit 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（TXDAC）系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)無縫集成。在二者之間的接口一般需要用到6個電阻和1個簡單的LC濾波器（見圖７）。來自于DAC的每一路輸出的4個接地電阻，可以為ADL5385基帶輸入提供500mV的DC偏置，而連接在每個差分對之間的電阻則調(diào)節(jié)基帶輸入的AC擺幅。采用這種簡化的接口，就可以避免采用單端差分或者電平平移放大器的必要。

圖7  AD9779和ADL5385接口的原理圖