用于数字通信的低功耗IQ调制器

作者：Bruce Hemp and Sunny Hsiao

IQ 调制器是射频系统的多功能构建模块。最常见的应用是为数字通信系统生成RF信号。本文说明了 LTC5599 低功耗 IQ 调制器的调制准确度，并通过简单示例展示了如何将该器件集成到数字通信系统中。

什么是智商调节器？

IQ 调制器是一种将基带信息转换为射频信号的设备。在内部，两个双平衡混频器组合在一起，如下所示。通过同时使用同相 （I） 和正交 （Q） 输入进行调制，可以选择任意输出幅度和相位。

通过针对幅度和相位的特定点，可以创建高阶调制。下面显示的是16-QAM。有四个可能的 I 值，它们解码为两个位。Q 轴也是如此。因此，每个符号可以传达四位信息。

IQ 调制器的基本架构

调制器应用

在调制器器件的中心频率、带宽和精度能力范围内，几乎任何类型的射频调制都可以通过 IQ 调制生成。表 1 示出了 LTC5599 的一些应用。

应用	国防部性病	调制类型（参考文献1）	最大射频带宽
数字无线麦克风	专有	QPSK， 16/32/64-DAPSK， Star-QAM	200千赫
无线网络 • 空白无线电 • 认知无线电	802.11af	OFDM： BPSK， QPSK， 16/64/256-QAM	高达 4× 个 6MHz 通道
有线电视上游	多西斯	16-质保姆	6兆赫
军用无线电（便携式，便携式）	习惯	宽可编程性范围	—
软件定义无线电 （SDR）
便携式测试设备
模拟调制	—	上午、调频/下午、SSB、DSB-SC	—
2 路无线电 • 商业 • 工业 • 公共安全
	四	π/4-DQPSK， π/8-D8PSK， 4/16/64-QAM	25kHz 至 150kHz
	四极聚合物	GMSK	10千赫， 12.5千赫
	P-25战斗机	C4FM， CQPSK	6.25kHz 至 12.5kHz
	二元甲醚	4FSK	6.25kHz， 12.5kHz

调制精度和 EVM

误差矢量幅度或EVM是数字无线电通信系统中调制精度的量度。调制精度很重要，因为调制信号上的任何误差都可能导致接收困难或占用带宽过大。如果不加以控制，接收器可能会出现过多的位错误，有效接收器灵敏度可能会降低，或者发射相邻通道功率（ACP）可能会升高。

误差矢量是I-Q平面中实际接收或发送的符号与理想参考符号之间的矢量。EVM是误差矢量功率的平均值与平均理想参考符号矢量功率的比值。它通常以dB或百分比表示。

图1是一个测试设置示例，显示了LT C5599低功耗直接正交调制器可实现的调制精度。图 2 显示了结果。在该测试中，精密实验室设备向调制器生成每秒30k符号的16-QAM基带（120kbps）和450MHz LO输入信号。矢量信号分析仪（VSA）检查调制器输出。

图1.用于测量基本调制精度的测试设置

图2.LTC5599 EVM 使用实验室级基带和 LO 信号发生器进行测量。请注意，MER测量超过49dB，基本上是“广播质量”。

在图 2 中，EVM 与时间的结果显示，所有符号的 EVM 均处于较低水平，而误差摘要显示 EVM 约为 0.24% RMS，峰值约为 0.6%。这确实是出色的性能，从49.6dB的调制误差比（MER）可以看出。

LTC5599 具有内部微调寄存器，便于微调 I 和 Q DC 失调、幅度不平衡和正交相位不平衡，以进一步优化调制准确度 — 如果调整微调寄存器，结果会更好。

在许多方面，该测试证明了调制器在未优化的情况下的最佳情况能力：基带带宽大，DAC精度和分辨率出色，数字滤波几乎理想。1虽然这些测试结果对于测量调制器的真实性能很有用，但实际的低功耗无线实现需要一些折衷，如下所述。

从可编程逻辑或 FPGA 驱动

许多FPGA和可编程器件支持数字滤波器模块（DFB）功能，这是数字通信的基本构建模块。原始传输数据很容易进行 IQ 映射和数字过滤。图 3 示出了如何利用 Cypress PSoC 5LP 等器件来驱动 IQ 调制器（如 LTC5599）的示例。

图3.传输励磁器框图。（完整的原理图如图 4 所示。

数字插值用于增加DAC时钟频率，从而提高DAC镜像频率。这降低了LC重构滤波器的滤波器阶数要求，用于将DAC镜像衰减到可接受的水平，同时最大限度地减少相位误差和宽带噪声。

图4所示为完整电路。与单端基带驱动相反，调制器的差分基带驱动可提供最高的RF输出功率和最低的EVM。LTC6238 低噪声放大器 U2 将 DAC 单端 I 和 Q 输出转换为差分输出。2输入放大器U2增益设计用于将DAC的输出电压范围调整到调制器输入电压范围，滤波端接电阻R的衰减效果为2：1L（I）和 RL（Q）被考虑在内。输入放大器U2还设计用于为IQ调制器提供所需的输入共模电压，这对于保持适当的调制器直流工作点和线性度非常重要。

图4.驱动具有可编程逻辑和DAC的IQ调制器。无源贝塞尔滤波器可衰减DAC镜像，提供最低的RF输出本底噪声，同时施加可忽略不计的符号误差矢量。

DAC重建低通滤波器（LPF）设计采用经典LC滤波器合成方法。一些滤波器并联电容作为共模电容接地实现。这也降低了共模噪声，共模噪声会进入调制器输出。如果此处使用有源滤波器，则调制器之前的最后一个滤波器级应该是无源LC屋顶滤波器，以实现最低宽带RF本底噪声。

TX 远红外滤波器设计	插值因子	符号率（千卡）	数据速率（千字节）	EVM （% RMS）	EVM（% 峰值）	笔记
63 抽头 RRC，α = 0.35	8	30	120
				0.8	2.0	LTC5599 未调整 （MER = 39.1dB）
				0.8	1.8	LTC5599 调整 （MER = 39.8dB）

表 2、图 5 和图 6 显示了性能结果。在这种情况下，EVM受到基带波形的数字精度的限制，此处由U1 FIR滤波器抽头的数量（63）和DAC分辨率（8位）决定。因此，当IQ调制器损伤被调整出来时，EVM并没有实质性改善，如表2所示。对于较低的 EVM，请使用更多的 FIR 滤波器抽头和更高分辨率的 DAC。

图5.EVM 测量详细信息。两个IC器件取代实验室信号发生器。它并不完美，但通常“足够好”。

图6.输出频谱。在这种设计中，最接近的镜像杂散下降约70dB，对于大多数系统来说相当不错。调制器RMS输出功率测量−4dBm。仍然需要谐波滤波。

在比较图2和图5所示的结果时，我们可以看到用可编程逻辑和运算放大器滤波器组成的电路替换高级实验室信号发生器所付出的代价。EVM 从 0.24% RMS 增加到 0.8% RMS。EVM的增加主要是由于可编程逻辑IC生成的波形不如实验室仪器精确。在实际实现中就是这种情况，但图5显示了一个相当不错的眼图，并且显示调制精度的汇总测量值对于大多数应用来说已经足够了。

在图6中，我们看到输出频谱非常干净。DAC镜像杂散相对于所需信号的幅度由sin（x）/x估计，其中x = πf/f时钟，加上DAC LC重构滤波器提供的衰减。对于最低的邻道功率，长FIR滤波器（许多抽头）和低相位噪声LO是必不可少的。

更高频率跨度扫描显示除载波谐波外没有可见的杂散产物，必须照常进行滤波。

在许多情况下，低输出本底噪声也很重要，例如当发射器和接收器双工或共存时，当使用高PA增益时，或者当多个发射器同时运行时。表3显示了图3所示系统在以460MHz调制载波频率发射时测得的输出噪声密度。低U2运算放大器噪声与LC重构滤波器的5阶滚降相结合，使基带噪声贡献尽可能低。

频率偏移（兆赫）	射频输出噪声密度 （dBM/Hz）
+6	−156.7
+10	−156.8
+20	−156.8

3.3V时的总电流消耗为96mA，如表4所示。大部分直流电源由可编程逻辑器件U1消耗，每个DFB的额定功耗为21.8mA，时钟频率为67MHz。3总之，DFB占数字功耗的81%。显然，降低数字部分电流消耗的关键是DFB架构的优化，这超出了本文的范围。4

阶段	描述	国际刑院 （毫安）	功率（毫瓦）
U1	CY8C58LP可编程片上系统	54	178
U2	LT6238 四通道运放	13	43
U3	LTC5599 低功率 IQ 调制器	29	96
	总：	96	317

结论

凌力尔特的 LTC5599 IQ 调制器是一款多功能射频构建模块，可提供低功耗、高性能、宽频率范围和独特的优化功能。它简化了无线电发射器的设计，而不会牺牲性能或效率。

审核编辑：郭婷