作者：Bruce Hemp and Sunny Hsiao

IQ 調(diào)制器是射頻系統(tǒng)的多功能構(gòu)建模塊。最常見的應(yīng)用是為數(shù)字通信系統(tǒng)生成RF信號。本文說明了 LTC5599 低功耗 IQ 調(diào)制器的調(diào)制準(zhǔn)確度，并通過簡單示例展示了如何將該器件集成到數(shù)字通信系統(tǒng)中。

什么是智商調(diào)節(jié)器？

IQ 調(diào)制器是一種將基帶信息轉(zhuǎn)換為射頻信號的設(shè)備。在內(nèi)部，兩個(gè)雙平衡混頻器組合在一起，如下所示。通過同時(shí)使用同相 （I） 和正交 （Q） 輸入進(jìn)行調(diào)制，可以選擇任意輸出幅度和相位。

通過針對幅度和相位的特定點(diǎn)，可以創(chuàng)建高階調(diào)制。下面顯示的是16-QAM。有四個(gè)可能的 I 值，它們解碼為兩個(gè)位。Q 軸也是如此。因此，每個(gè)符號可以傳達(dá)四位信息。

IQ 調(diào)制器的基本架構(gòu)

調(diào)制器應(yīng)用

在調(diào)制器器件的中心頻率、帶寬和精度能力范圍內(nèi)，幾乎任何類型的射頻調(diào)制都可以通過 IQ 調(diào)制生成。表 1 示出了 LTC5599 的一些應(yīng)用。

調(diào)制精度和 EVM

誤差矢量幅度或EVM是數(shù)字無線電通信系統(tǒng)中調(diào)制精度的量度。調(diào)制精度很重要，因?yàn)檎{(diào)制信號上的任何誤差都可能導(dǎo)致接收困難或占用帶寬過大。如果不加以控制，接收器可能會出現(xiàn)過多的位錯(cuò)誤，有效接收器靈敏度可能會降低，或者發(fā)射相鄰?fù)ǖ拦β剩?a target="_blank">ACP）可能會升高。

誤差矢量是I-Q平面中實(shí)際接收或發(fā)送的符號與理想?yún)⒖挤栔g的矢量。EVM是誤差矢量功率的平均值與平均理想?yún)⒖挤柺噶抗β实谋戎怠ＫǔＲ詃B或百分比表示。

圖1是一個(gè)測試設(shè)置示例，顯示了LT C5599低功耗直接正交調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)的調(diào)制精度。圖 2 顯示了結(jié)果。在該測試中，精密實(shí)驗(yàn)室設(shè)備向調(diào)制器生成每秒30k符號的16-QAM基帶（120kbps）和450MHz LO輸入信號。矢量信號分析儀（VSA）檢查調(diào)制器輸出。

圖1.用于測量基本調(diào)制精度的測試設(shè)置

圖2.LTC5599 EVM 使用實(shí)驗(yàn)室級基帶和 LO 信號發(fā)生器進(jìn)行測量。請注意，MER測量超過49dB，基本上是“廣播質(zhì)量”。

在圖 2 中，EVM 與時(shí)間的結(jié)果顯示，所有符號的 EVM 均處于較低水平，而誤差摘要顯示 EVM 約為 0.24% RMS，峰值約為 0.6%。這確實(shí)是出色的性能，從49.6dB的調(diào)制誤差比（MER）可以看出。

LTC5599 具有內(nèi)部微調(diào)寄存器，便于微調(diào) I 和 Q DC 失調(diào)、幅度不平衡和正交相位不平衡，以進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)制準(zhǔn)確度 — 如果調(diào)整微調(diào)寄存器，結(jié)果會更好。

在許多方面，該測試證明了調(diào)制器在未優(yōu)化的情況下的最佳情況能力：基帶帶寬大，DAC精度和分辨率出色，數(shù)字濾波幾乎理想。1雖然這些測試結(jié)果對于測量調(diào)制器的真實(shí)性能很有用，但實(shí)際的低功耗無線實(shí)現(xiàn)需要一些折衷，如下所述。

從可編程邏輯或 FPGA 驅(qū)動

許多FPGA和可編程器件支持?jǐn)?shù)字濾波器模塊（DFB）功能，這是數(shù)字通信的基本構(gòu)建模塊。原始傳輸數(shù)據(jù)很容易進(jìn)行 IQ 映射和數(shù)字過濾。圖 3 示出了如何利用 Cypress PSoC 5LP 等器件來驅(qū)動 IQ 調(diào)制器（如 LTC5599）的示例。

圖3.傳輸勵磁器框圖。（完整的原理圖如圖 4 所示。

數(shù)字插值用于增加DAC時(shí)鐘頻率，從而提高DAC鏡像頻率。這降低了LC重構(gòu)濾波器的濾波器階數(shù)要求，用于將DAC鏡像衰減到可接受的水平，同時(shí)最大限度地減少相位誤差和寬帶噪聲。

圖4所示為完整電路。與單端基帶驅(qū)動相反，調(diào)制器的差分基帶驅(qū)動可提供最高的RF輸出功率和最低的EVM。LTC6238 低噪聲放大器 U2 將 DAC 單端 I 和 Q 輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出。2輸入放大器U2增益設(shè)計(jì)用于將DAC的輸出電壓范圍調(diào)整到調(diào)制器輸入電壓范圍，濾波端接電阻R的衰減效果為2：1L（I）和 RL（Q）被考慮在內(nèi)。輸入放大器U2還設(shè)計(jì)用于為IQ調(diào)制器提供所需的輸入共模電壓，這對于保持適當(dāng)?shù)恼{(diào)制器直流工作點(diǎn)和線性度非常重要。

圖4.驅(qū)動具有可編程邏輯和DAC的IQ調(diào)制器。無源貝塞爾濾波器可衰減DAC鏡像，提供最低的RF輸出本底噪聲，同時(shí)施加可忽略不計(jì)的符號誤差矢量。

DAC重建低通濾波器（LPF）設(shè)計(jì)采用經(jīng)典LC濾波器合成方法。一些濾波器并聯(lián)電容作為共模電容接地實(shí)現(xiàn)。這也降低了共模噪聲，共模噪聲會進(jìn)入調(diào)制器輸出。如果此處使用有源濾波器，則調(diào)制器之前的最后一個(gè)濾波器級應(yīng)該是無源LC屋頂濾波器，以實(shí)現(xiàn)最低寬帶RF本底噪聲。

表 2、圖 5 和圖 6 顯示了性能結(jié)果。在這種情況下，EVM受到基帶波形的數(shù)字精度的限制，此處由U1 FIR濾波器抽頭的數(shù)量（63）和DAC分辨率（8位）決定。因此，當(dāng)IQ調(diào)制器損傷被調(diào)整出來時(shí)，EVM并沒有實(shí)質(zhì)性改善，如表2所示。對于較低的 EVM，請使用更多的 FIR 濾波器抽頭和更高分辨率的 DAC。

圖5.EVM 測量詳細(xì)信息。兩個(gè)IC器件取代實(shí)驗(yàn)室信號發(fā)生器。它并不完美，但通常“足夠好”。

圖6.輸出頻譜。在這種設(shè)計(jì)中，最接近的鏡像雜散下降約70dB，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說相當(dāng)不錯(cuò)。調(diào)制器RMS輸出功率測量?4dBm。仍然需要諧波濾波。

在比較圖2和圖5所示的結(jié)果時(shí)，我們可以看到用可編程邏輯和運(yùn)算放大器濾波器組成的電路替換高級實(shí)驗(yàn)室信號發(fā)生器所付出的代價(jià)。EVM 從 0.24% RMS 增加到 0.8% RMS。EVM的增加主要是由于可編程邏輯IC生成的波形不如實(shí)驗(yàn)室儀器精確。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中就是這種情況，但圖5顯示了一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的眼圖，并且顯示調(diào)制精度的匯總測量值對于大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。

在圖6中，我們看到輸出頻譜非常干凈。DAC鏡像雜散相對于所需信號的幅度由sin（x）/x估計(jì)，其中x = πf/f時(shí)鐘，加上DAC LC重構(gòu)濾波器提供的衰減。對于最低的鄰道功率，長FIR濾波器（許多抽頭）和低相位噪聲LO是必不可少的。

更高頻率跨度掃描顯示除載波諧波外沒有可見的雜散產(chǎn)物，必須照常進(jìn)行濾波。

在許多情況下，低輸出本底噪聲也很重要，例如當(dāng)發(fā)射器和接收器雙工或共存時(shí)，當(dāng)使用高PA增益時(shí)，或者當(dāng)多個(gè)發(fā)射器同時(shí)運(yùn)行時(shí)。表3顯示了圖3所示系統(tǒng)在以460MHz調(diào)制載波頻率發(fā)射時(shí)測得的輸出噪聲密度。低U2運(yùn)算放大器噪聲與LC重構(gòu)濾波器的5階滾降相結(jié)合，使基帶噪聲貢獻(xiàn)盡可能低。

3.3V時(shí)的總電流消耗為96mA，如表4所示。大部分直流電源由可編程邏輯器件U1消耗，每個(gè)DFB的額定功耗為21.8mA，時(shí)鐘頻率為67MHz。3總之，DFB占數(shù)字功耗的81%。顯然，降低數(shù)字部分電流消耗的關(guān)鍵是DFB架構(gòu)的優(yōu)化，這超出了本文的范圍。4

結(jié)論

凌力爾特的 LTC5599 IQ 調(diào)制器是一款多功能射頻構(gòu)建模塊，可提供低功耗、高性能、寬頻率范圍和獨(dú)特的優(yōu)化功能。它簡化了無線電發(fā)射器的設(shè)計(jì)，而不會犧牲性能或效率。

審核編輯：郭婷