基于CMX993的正交調制發射機的實現

張銀紅 陳葉民 陳明

【摘要】 ? ?分析了QPSK調制方式下直接正交調制發射機中IQ的平衡性與正交度對EVM的影響，基于CMX993給出了一種直接正交調制發射機的設計方案，并在其基礎了提出了一些在工程實踐中改善相關指標的具體措施。

【關鍵詞】 ? ?直接正交調制? ? EVM? ? CMX993

引言：

近年來，隨著半導體技術的不斷發展，直接正交調制發射機因其結構形式簡單，電路元器件少，功耗體積小等優點已經得到越來越廣泛的應用。

本文將分析QPSK調制方式下直接正交調制發射機中IQ的平衡性與正交度對EVM的影響，并給出一個設計實例，就其提出一些在工程實踐中改善EVM指標的具體方法。

一、QPSK調制方式下直接正交調制發射機中IQ平衡性與正交度對EVM的影響

典型的無線直接正交調制發射機的功能框如圖1所示，FLO是射頻本振信號，經過移相器后產生完全正交的本振信號然后分別與來自I路和Q路的基帶信號混頻后做相加運算，輸出想要的射頻信號Fo（t），從而實現正交調制。

在這種正交調制方式下，通過有規律的改變I路和Q路信號的相位與幅度，可以輕易實現QPSK、QAM等復雜調制。

EVM是衡量信號調制性能的一個重要參數，它反映了實際調制信號與理想信號之間的誤差。

下面就這種系統在QPSK調制方式下，I路與Q路信號的平衡性與正交度能對EVM的產生的影響進行分析。

實際系統中I路和Q路信號必然存在一定的幅度不平衡及相位的不正交，而且本振經移相器后產生的兩路信號必然不完全正交，為了便于分析問題，我們假定本振是理想的，將實際中本振引起的相位誤差歸一到I路與Q路信號中去。

當I路與Q路的幅度不平衡但相位完全正交時，即b≠1，而θ=0，EVM隨相位不平衡的關系見圖3，它們基本上成線性關系。

若I路與Q路的幅度完全一致，而相位不完全正交時，即b=1，而θ≠0時，EVM隨相位不平衡的關系見圖4。相位因素帶來的惡化基本呈現為拋物線。

如系統中同時存在幅度不平衡與相位不正交時，他們對EVM的影響將產生疊加效應。因此直接正交調制發射機必須保持整個通路盡可能的幅度平衡與相位正交。

三、直接正交調制發射機設計

直接正交調制發射機的原理框圖如圖5所示。其主要由基帶處理芯片、正交調制器、濾波器、功率放大器以及低相噪本振組成。

圖中的基帶處理芯片生成I、Q信號，經過濾波器后進入直接正交上變頻器CMX993，經正交調制到射頻載波后送入后級射頻功率放大器放大，最終通過天線輻射出去。

CMX993是CML Microcircuits公司推出的正交解調器，其工作范圍為30 MHz～1000MHz，其內部集成了基帶放大器、移相器，混頻器、偏置電路、可控增益放大器以及本振放大器，為設計提供了極大的便利。另外，CMX993典型工作電壓為3.3 V，工作最大電流僅為95mA，非常適合低功耗場合的運用。

通過前文分析，我們可以看到直接正交調制發射機的EVM在很大程度上都受到I路與Q路信號的幅度平衡性與相位正交度的影響，另外，放大器的非線性也對EVM存在一定的影響，因此在工程實踐中，我們主要圍繞這些因素采取一些措施來提高正交調制精度。

1）首先盡可能從源頭上保證從基帶芯片輸出的I路與Q路信號的正交性與幅度的一致性。另外，由于采用了模擬濾波器，因此也必須保證兩路濾波器參數的一致性。

2）選用正交度和平衡度指標盡量好的正交調制器。隨著半導體技術的發展，正交調制器發展到了一定的水平，一般都能滿足系統設計要求，但在一些要求極高的場合，我們可以通過調節基帶輸出信號幅度與正交性來補償正交調制器的影響，從而提高輸出信號的調制精度。

3）當正交調制器的性能一定時，還有一個重要的因素的會影響正交調制的精度，那就是本振。如果本振的相位噪聲比較高，混頻時它將把噪聲引入正交調制器，引起隨機的相位抖動，從而影響輸出信號的正交度，因此必須盡量提高合成器的相位噪聲。值得一提的是，直接正交發射機中因功放輸出的大功率信號頻率與本振信號比較接近時，會嚴重影響合成器的相位噪聲，實際中為了解決這一問題，往往采用諧波法產生本振，然后將本振進行分頻后進行混頻從而避免這種現象的發生。CMX993內部已經集成了分頻器，ADF4360系列合成器的相位噪聲也可達到-90dBc/Hz@10K以上。

4）實際電路中正交調制器與基帶芯片的偏置電壓往往存在差別，同時為了避免直流漂移在正交調制中的影響，一般都采用交流耦合的方式。這時一般應保持偏置電路的穩定，否則由于電容兩端電壓不一致帶來的充放電將影響I路和Q路信號的幅度平衡性和相位的正交度。

四、實際測試結果

基于CMX993的直接正交調制發射機的實際測試結果如圖6所示。

輸出頻率：F=428MHz，信道帶寬：4.8MHz，輸出功率：25dBm

發射EVM：2.5%

五、結束語

通過分析和實踐我們可知，直接正交調制發射機中IQ信號的平衡性及相位正交度對發射機EVM指標影響非常大，在工程實踐中，我們通過采取一定的措施解決影響IQ信號平衡性與正交度的關鍵因素，非常好的實現了直接正交調制發射機對EVM指標的要求。

參? 考? 文? 獻

[1]張亮、李亞光 基于AD8349 的無線直接變頻發射機設計與實現[J].國外電子元器件，2005.10

[2]劉聰峰.高效數字調制技術及其應用 [M].? 人民郵電出版社，2006

[3] Ulrich L.Rohde 、David P.NewkirK 無線應用射頻微波電路設計.電子工業出版社? 2004.8

[4]方宏、卞昕、何昭等 . 基于星座圖設計的矢量調制誤差計量方法研究[J].儀器儀表學報，2013，36（ 1） ： 128-132

[5]李曉慧，成華強. 顧軍 基于DDS的IQ正交調制電路設計與實現 電子質量[J]. 2017年06期，94-98

[6] CML Microcircuits CMX993 Datasheets。 2010.3