寬帶正交變換架構模擬及實現(xiàn)

王　建　曾興斌　張國軍　劉太君

摘 要：主要闡述了正交ADC變換的架構原理及其實現(xiàn)方法，具體包括總體結構、設計方法、LO泄漏抑制等，同時進行了低通濾波器的設計，提出了基于控制IBIAS和優(yōu)化RLC濾波電路來實現(xiàn)抑制本振泄漏的方法，通過網(wǎng)絡分析儀的實際測試和軟件的仿真結果可以看出其完全能夠滿足無線系統(tǒng)的要求。此架構對于研究超寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有很好的借鑒作用。

關鍵詞：高速模數(shù)轉換器；正交解調；本振泄漏抑制；RLC濾波電路

中圖分類號：TN911.72文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-001-03

Simulation and Realization of Wideband Orthogonal Transformation Structure

WANG Jian ZENG Xingbin ZHANG Guojun LIU Taijun

(1.Institute of Communication Technology,Ningbo University,Ningbo,315211,China;

2.Multimedia Communication Research Centre,Ministry of Education,Ningbo University,Ningbo,315211,China;

3.Ningbo Key Lab of Wireless Communication & Digital AV Technology,Ningbo,315211,China)

Abstract：This paper presents the principle and realization of orthogonal ADC transformation,including architecture,design method,a LPF is also realized.By controlling IBIAS and optimizing RLC filter circuit,the LO leakage can be effectively suppressed.Software simulation and practical test below show that the system works well.This structure can be used in ultra wide band data acquisition system.

Keywords：high speed A/D converter;orthogonal demodulation;LO leakage suppression;RLC fifter circuit

當今主流的下變頻接收方式主要是中頻接收技術，具體為［1］：將射頻信號首先轉化為中頻信號，然后再轉化為基帶信號進行處理。對射頻信號直接進行采樣在技術上還很難實現(xiàn)，而且成本上也不合算。在當前變換的研究中，大部分應用都是先將射頻信號變換到中頻，再對模擬信號進行數(shù)字化，然后采用數(shù)字下變頻技術和多速率信號處理技術對信號進行后續(xù)處理。

1 正交架構理論分析［2,3］

正交ADC架構框圖如圖1所示。

首先，射頻輸入信號為實數(shù)，表示如下：

s(t)=Asin(1)

I,Q信道信號經(jīng)變換產生兩個輸出，兩者相差為90°，然后經(jīng)過下變頻后處理。設下變頻本振頻率為fo，有:

I(t)=Acos［2π(fi-fo)t］

Q(t)=Asin［2π(fi-fo)t］(2)

二者組合成復數(shù)形式的輸出信號為：

I(t)+jQ(t)=Acos 2π(fi-fo)t+jAsin 2π(fi-fo)t

=Aej2π(fi-fo)t(3)

圖1 正交ADC架構框圖

如果對兩路輸出都進行數(shù)字化，則輸入帶寬可以翻一倍，這一點可以從時域或頻域進行解釋：在時域中，如果采樣頻率為fs，則當達到最高輸入頻率時，必須能在一個周期內獲得兩個采樣樣本，以滿足奈奎斯特采樣速率，那么，最高輸入頻率則為fs/2，如果還有一個Q信道，則將采集到多于兩個樣本，所以最高輸入頻率可以擴展到fs。從頻域來說，如果輸入為實數(shù)，則輸出具有正頻率分量和負頻率分量，則非模糊的最高頻率為fs/2［4］；對于復數(shù)來說，因為沒有負頻率分量，所以最高輸入頻率可以擴展到fs。但是當變頻器覆蓋一個較寬的帶寬時，I信道與Q信道可能出現(xiàn)不平衡性，兩個信道的輸出可能具有不同的幅度，其相對相位也可能正好相差90°，這種不平衡性可能會導致信道產生一個鏡像信號，其理論分析如下：其中s(t)為實信號：

si(t)=cos(2πfift)+jasin(2πfift+ε)=

12［ej2πfift(1+aejε)］+12［e-j2πfift(1-aejε)］(4)

其中：a為幅度不平衡度；ε為相位不平衡度。其信號和鏡像的幅度分別為1+aejε和1-aejε，且：

A2d=1+a2+2acos(ε)

A2i=1+a2-2acos(ε)(5)

其中：Ad為期望信號的幅度；Ai為鏡像信號的幅度。鏡像幅度和期望信號幅度的關系可以寫成：

10lgAiAd2=10lg1+a2-2acos(ε)1+a2+2acos(ε)(6)

由圖2［3］知，當相位不平衡度小于2°時，若幅度平衡度小于0.15 dB，鏡像幅度將比期望信號小35 dB；如果幅度不平衡度為1.5 dB，相位不平衡低于20°時，鏡像將比期望信號幅度小15 dB。

圖2 幅度與相位不平衡度的關系

本設計中選用SRQ-2116正交混頻解調器，采用Agilent VNA E5071C網(wǎng)絡分析儀測試相位不平衡度。圖3給出用SRQ-2116評估板測試的結果。由圖3可見，在1 943~1 964 MHz范圍內相位不平衡度遠小于2°。

圖3 相位平衡度數(shù)據(jù)

RF為-25 dBm@1 943 MHz,LO為0 dBm@ 1 964 MHz時，Q端的差分輸出幅度測量結果見圖4，此時的幅度平衡度為:

-35.05-(-35.08)dB=0.03 dB0.15 dB(7)

在這種情況下對鏡像的抑制可達35 dB。

圖4 測量結果

2 本振泄漏的抑制

LO泄漏調零的HyperLynx原理電路見圖5。R28和R31阻值為8 kΩ，為使基帶信號的正交耦合最小，可以增大旁路電容C24和C30。連接S6的1，2將電壓源連到IBIAS［5］，將IBIAS電壓從零開始往上調整，同時觀察LO泄漏是增大還是減少。如果減少，說明IBIAS偏置的極性是對的；如果增大，則負向調整IBIAS偏置，或將S6連接改為2，3。用同樣的方式調整QBIAS，優(yōu)化IBIAS，QBIAS，使LO的泄漏趨近于零。

圖5 LO泄漏調零原理圖

通過在I/Q端口引入直流偏置的方法可以對RF端口的LO泄漏進行調零，使其泄漏電平低于-80 dBm。但會引起I/Q端IF接口的阻抗不匹配而使性能變差，因此必須使I/Q端口和ADC驅動電路相匹配。如果不匹配，LO的二次諧波會泄漏到解調器的I/Q輸出端口，這種泄漏將抵消LO調零的效果，而且LO信號在I/Q中頻IF端口反射產生的殘余直流成分會影響調零狀態(tài)。

中頻濾波器的仿真［6］見圖6。通過中頻低通濾波器［7，8］可以去掉信號中不必要的高頻成分，降低采樣頻率，避免頻率混淆，去掉高頻干擾。本設計采用了ADS仿真軟件［9］進行了濾波器的設計及仿真。為了更好地觀察更高頻率的結果，特地增加了仿真的頻率范圍。通過仿真結果可以看到，在射頻范圍內濾波器能夠比較好地滿足實際的要求。

圖6 中頻濾波器的仿真

RLC濾波電路［10］見圖7。選擇50 Ω的阻值并根據(jù)轉角頻率1/(2RC)選擇合適的電容C，這樣可以充分濾除fLO和2fLO雜波，而且不會影響基帶最高頻率處的頻響特性平坦度；對于I+/I-和Q+/Q-端的共模fLO和2fLO信號，RC網(wǎng)絡相當于一個25 Ω的端接電阻。RC網(wǎng)絡為fLO和2fLO泄漏提供了吸收路徑；電感則提供了高阻路徑來抑制反向輻射。通過測量可知，對fLO和2fLO泄漏的抑制分別可達8 dB和14.5 dB。

3 結 語

對寬帶正交架構在模擬域內的設計及實現(xiàn)的一些關鍵技術以及在實際設計中會遇到的一些技術難點進行了研究論證，并且創(chuàng)造性地提出了相應的解決方法。通過仿真和使用網(wǎng)絡分析儀進行實際測試可以得出，本文的設計方法完全符合系統(tǒng)的要求，并具有一定的借鑒意義。

圖7 RLC濾波電路圖

參考文獻

［1］羅亞松,高俊.實現(xiàn)自動化下變頻接收的方案研究［J］.微計算機信息,2006,22(24):193-195.

［2］TI ADS5474 SPEC and ADS5474 EVM User′s Guide［EB/OL］.http://www.ti.com.

［3］James Tsui.Digital Techniques for Wideband Receivers［M］.楊小牛,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002.

［4］Joseph Mitola.Software Radio Architecure［M］.趙榮黎,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2003.

［5］MAXIM MAX2023 Evaluation Kit［Z］.

［6］ADS2002仿真實驗教程［Z］.

［7］Reinhold Ludwig.RF Circuit Design: Theory and Applications［M］.王子宇,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

［8］王衍,陳勇.Sigma-delta ADC中數(shù)字濾波器設計［J］.世界科技研究與發(fā)現(xiàn),2007,29(1):44-47.

［9］王自強,張春.基于ADS的無線接收機數(shù)?；旌舷到y(tǒng)級仿真［J］.微電子學,2004,34(6):628-630.

［10］毛銀偉,李文淵,蘇俊杰,等.一種5GHz WLAN CMOS正交調制器和上變頻器的設計［J］.微電子學,2007,37(1):93-96.

作者簡介

王 建 男，1982年出生，山東濰坊人，碩士。研究方向為無線射頻基站。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。