零中频发射机设计与实现

戚秀真

(长安大学信息工程学院，陕西西安 710064)

1 零中频发射机原理

1.1 概述

传统发射机实现模式:基带→中频→射频。

无线发射机的体系结构长期由超外差式所控制，如图1 所示［1］。

图1 传统发射机结构图

随着半导体工艺技术的进步和对移动通信设备小型化、低功耗、多功能需求的不断增强，基于正交调制的直接正交上变频(Direct Quadrature Up－Conversion，DQUC)技术得到了迅速发展。它能够直接将基带信号搬移到射频，即零中频发射机。

零中频发射机实现模式:基带→射频，如图2所示。

图2 零中频发射机结构图

1.2 零中频发射机的优缺点

零中频发射机原理模型如图3所示。

图3 零中频发射机原理框图

零中频电路实现上只有DAC和IQ调制两个芯片，电路结构简洁，与二次变频方案相比，省去中频和射频本振源电路、中频和射频混频器以及中频SAW滤波器电路等，降低了发射机系统复杂度与器件数，也大幅降低系统体积、重量、功耗和成本［2］;

零中频技术的缺点很明显，由于正交调制信号和正交本振信号幅度和相位的不平衡，以及对直流偏移失真敏感，导致严重的无用边带和本振泄漏。抑制无用下边带信号和本振泄露是零中频发射机实现方案的关键［3］。

1.3 零中频发射机原理

理想情况下，图3中正交调制信号I(Q)和Q(t)与正交本振信号fLO_I(t)和fLO_Q(t)的幅度和相位完全平衡，且不存在直流偏移。因此DQUC输出的RF信号fRF(t)是一个理想的单边带信号，不存在边带和本振泄漏问题。但在实际情况下，I(t)和Q(t)与fLO_I(t)和fLO_Q(t)信号总是存在幅度和相位的不平衡及直流偏移误差。

为便于分析，把IQ信号用正弦波信号替代，那么IQ信号I(t)，Q(t)和本振信号fLO_I(t)，fLO_Q(t)信号数学模型分别为

式中，G，ψ，D分别为I(t)和Q(t)信号之间的归一化幅度比、正交相位误差和直流偏移误差;A，θ，E分别为fLO_I(t)与fLO_Q(t)信号之间的归一化幅度比、正交相位误差和直流偏移误差。理想情况下，A=G=1;ψ=θ;D=E=0。

DQUC的输出信号fo(t)可表示为

2 零中频发射机的关键技术

2.1 无用边带的抑制

由fo(t)公式可知，泄漏的无用边带信号fLSB(t)为

式中

如果A和G幅度相同，和相位相同，那么fLSB(t)=0，不存在无用边带信号。可见无用边带是由于IQ信号和正交本振信号幅度和相位不平衡引起的。无用边带信号抑制可以通过以下步骤实现。

首先调节A值，使AG→1，那么RLSB和φLSB可以简化为

然后再调节ψ值，使ψ=θ，这样RLSB=0，φLSB=0，也就是说，AG→1，ψ=θ时理论上无用边带被完全抑制。这就是正交IQ信号和正交本振信号相位和幅度不平衡校准(IQ校准)的理论依据。

2.2 本振泄露的抑制

由fo(t)公式可知，本振泄漏

式中，D是I(t)和Q(t)信号的直流偏移;A是本振幅度。显然，本振泄漏fc(t)是由I(t)和Q(t)信号存在直流偏移引起的。因此，在电路设计时，I(t)和Q(t)信号传输要采用交流耦合，以消除直流偏移，从而抑制本振信号的泄漏。

3 零中频发射机的实现

3.1 硬件实现

图4是零中频发射机实现方案。WCDMA IQ信号码速率3.84 Mbit·s－1，该信号是欠采样信号。如果直接进行数模转换，会产生较大量化误差和频谱混叠，因此需要进行插值(DIF)处理，通常至少需要16倍内插，插值后速率61.44 Mbit·s－1，当然内插倍数越高越好。

为保证输出功率精度和IQ调制器TRF3703性能，增益调整模块调整基带增益和射频增益来满足输出功率精度和IQ调制器TRF3703性能要求。无用边带抑制和本振泄露通过IQ校准实现，IQ校准是零中频发射机实现的关键部分。图4中，3.84 Mbit·s－1I/Q基带信号经过数字内插变为61.44 Mbit·s－1基带IQ信号，经过双通道DAC2904转换成模拟IQ信号，然后经过IQ调制器TRF3703直接调制到射频。射频功率检测和数字功率检测是为了保证输出功率精度和IQ调制器性能。

图4 零中频实现方案

为抑制无用边带、本振泄漏、频率牵引和时钟抖动等，零中频设计采用以下优化措施:(1)I(t)、Q(t)信号传输采用差分线与交流耦合方式，有利于消除I(t)、Q(t)信号之间的直流偏移误差和共模干扰。(2)IQ校准，使D=0，ψ =θ，AG→1，消除直流偏置，IQ 信号与正交本振信号相位和幅度不平衡。(3)由于WCDMA频点较高，采用谐波法解决频率牵引问题比较困难，本方案采用反向隔离和阻抗匹配的方法减小PA反射到VCO中的信号，从而降低频率牵引效应。IQ调制器TRF3703本身有9 dB反向隔离作用，LMX2531射频输出Buffer结构也可以起到一定的反向隔离作用。(4)选择高稳定的时钟作为本振和中频参考时钟，降低时钟抖动和本振相噪。(5)16倍数字插值，抗频谱混叠，降低对低通滤波器的要求。(6)布局布线方面考虑。

3.2 IQ校准实现

3.2.1 IQ校准原理

在发射零中频方案实现时，无用边带和本振泄漏除了和正交调制信号和正交本振信号的幅度和相位的不平衡以及直流偏移外，还与PCB的板材、电路及其参数的优化设计、布局、布线等因素有较大关系［4－7］，解决的办法就是IQ校准。IQ校准的目的是消除IQ信号和正交本振信号直流偏置、幅度和相位不平衡，提高整机的ACPR和EVM等射频指标［5－6］。

IQ校准原理框图如图5所示。图5中IGAIN和QGAIN是为了调节 IQ增益不平衡，使 A=G;I_DCOFFSET和Q_DCOFFSET是为了消除直流偏置;I_delay和Q_delay是为了调整相位使ψ=θ。

图5 IQ校准原理框图

3.2.2 IQ校准实现

经过定量计算和工程实践发现，直流偏置对零中频发射机指标影响较大，并且离散性也很大，每台零中频发射机必须单独进行直流偏置校准，工程实践专门研发了直流偏置校准算法。增益不平衡和相位不平衡一致性较好，对发射机指标影响相对较小，本文工程实践中将所有零中频发射机IGAIN和QGAIN，I_delay和Q_delay设为固定值。实际上IQ校准算法实现简化为对直流偏置校准［7－8］。

直流偏置自动校正算法首先调整I_DCOFFSET，使得本振泄露指标近似最小，得到I_DCOFFSET近似最优值;然后调整Q_DCOFFSET，使得本振泄露指标近似最小，得到Q_DCOFFSET近似最优值，然后进一步调整I_DCOFFSET，Q_DCOFFSET，直到本振泄露指标达到最优值。

4 结束语

从零中频发射机原理出发，分析了零中频发射机存在的问题，结合工程实践给出了零中频发射机的最经济实用的硬件实现方案和IQ校准方法，经工程验证，文中的零中频发射机64QAM调制方式EVM＜4%，ACPR ＞53 dB，各项关键指标优于3GPP 规范［9］。

［1］郭日峰，黄振.零中频技术浅析［J］.科技风，2012(1):68.

［2］杨小牛，邹少丞，楼才义，译.软件无线电技术与实现［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［3］陈志恒，宋琦明.零中频无线接收机:理想、现实与演化［J］.电子产品世界，2002(21):56 －59.

［4］赵磊，肖马辉，邓腾彬.UHF RFID读写器中零中频接收机的设计［J］.物联网技术，2011(8):47－49.

［5］张晓东.基于感知无线电的低EVM零中频射频发射机设计［C］.北京:全国第十三届微波集成电路与移动通信学术会议，2010.

［6］唐琴，吴建辉.零中频直流偏移消除技术比较与分析［J］.微电子学，2008(6):81l－815.

［7］范俊，李永明.解决零中频架构直流漂移的自校正方案［J］.微电子学，2005(12):114 －117.

［8］冯添.基于802.16e协议下零中频接受机I/Q不平衡补偿方案的设计［D］.北京:北京邮电大学，2009.

［9］3GPP.3G TS 25.104:BTSradio transmission and reception(FDD)［S］.USA:3GPP，2000.