基于零中頻結構的數字電視調制系統研究

楊 霏，楊 剛

（中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024）

基于零中頻結構的數字電視調制系統研究

楊 霏，楊 剛

（中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024）

介紹了基于零中頻結構的數字電視調制系統的特點、特性、硬件設計和調試方法。重點分析并仿真了零中頻結構中，相位誤差和幅度不平衡對射頻鏡像抑制和調制誤差的影響，并給出了如何設計和校正零中頻結構數字電視調制系統。

零中頻；調制誤差率；鏡像抑制；本振泄漏

0 引言

近年，地面數字電視和移動多媒體廣播（CMMB）的數字廣播發射系統已廣泛應用。數字電視標準，如中國地面數字電視廣播傳輸標準和CMMB標準、歐洲的DVB-T/H標準、日本的ISDB-T/Tb標準等，均采用了OFDM調制方式，工作頻段為470～870MHz。

隨著數字信號處理器及半導體工藝水平的提高，發射機的硬件設計突破了功能單一、可擴展性差的局限性，以結構簡單的硬件通用平臺為基礎，通過軟件升級和配置來達到各種制式發射機的要求。筆者基于零中頻結構設計了一個可適用于多制式數字電視發射機的調制解調硬件平臺，從理論上仿真分析了零中頻結構發射機的射頻指標及性能，并詳細講述了對于射頻性能指標的設計和調試方法。

1 零中頻發射機結構

隨著射頻集成電路性能的提高，基于零中頻結構的調制系統的使用愈加廣泛[1]。如圖1所示，基于FPGA或DSP器件產生數字基帶IQ正交信號，通過雙通道數模轉換器（DA）轉換成模擬的IQ信號，2路信號經過低通濾波后，分別與正交的2路射頻載波信號完成正交調制，直接得到模擬射頻調制信號。零中頻發射機結構簡單，集成度高，成本低，被廣泛應用于數字電視發射機的調制系統中及其他無線發射系統中。

2 調制系統的非理想特性

在實際的正交調制過程中，零中頻發射機調制系統存在一些非理想特性：

1）IQ幅度不平衡，IQ正交誤差

正交調制器產生射頻正交本振信號，即cosωt和sinωt，在實際中，本振信號不可能完全正交，正余弦信號存在一定的相位偏差 Δφ,即cosωt與sin(ωt+Δφ)；同樣，雙通道DA輸出的模擬IQ信號幅度、IQ通道濾波器插入損耗、調制器內部IQ信號增益等也不可能完全匹配和相同。因此，相位或幅度的非理想因素都會產生落在帶內的鏡像信號，從而影響星座圖導致調制誤差率（MER）的惡化，帶來接收機誤碼率升高。以QPSK調制為例，如果I通道幅度略高于Q通道幅度，則星座圖如圖2a所示；如果本振信號存在1°的正交誤差，則星座圖如圖2b所示[2]。

2）本振泄漏

當送入正交調制器的IQ信號存在直流偏差時，導致調制器相乘結果發生偏移，星座圖如圖3所示。在頻域上，體現為本振載波信號的泄漏，即在調制輸出的頻譜中出現載波信號。

由于上述非理想特性的存在，當送入的I，Q信號為頻率1MHz正交信號時，產生偏移載波1MHz的單一頻率射頻調制信號。在頻域上同時可以觀察到3個頻率的信號存在，即：調制信號本身1、其鏡像信號3和本振信號2，如圖4所示[2]。

3 非理想特性的性能分析

如前所述，由于調制系統實際應用時的非理想特性，會產生落在帶內的鏡像信號，對射頻信號的性能指標有很大影響。如果在實際應用中不加以設計和調整，則無法滿足數字電視調制器的射頻指標。下面從理論上分析正交相位誤差、幅度不平衡與鏡像抑制比及調制誤差率（MER）之間的關系[2]。

正交調制信號為I×cosωt+Q×sinωt，假設本振信號正余弦相位偏差為Δφ，IQ信號的不平衡度為A，即（I/Q=A），則正交調制信號為I×cosωt+A×Q×sin(ωt+Δφ)。假設 I=cosθt,Q=sinθt,正交調制后產生單音信號cos(ω+θ)t，鏡像信號為cos(ω-θ)t，有

在實際系統中，正交相位誤差和IQ幅度不平衡會同時存在。筆者采用地面數字電視（DTMB）系統的數字基帶IQ信號，針對IQ幅度不平衡、正交相位誤差與鏡像抑制、調制誤差率的關系進行了仿真，如圖5所示。

4 發射機硬件系統設計

4.1 硬件結構

數字調制器的硬件系統包括以下幾部分：

1）基于FPGA或DSP的調制處理完成糾錯編碼、交織、OFDM調制、成幀等基帶信號處理功能，輸出數字IQ信號；

2）雙通道DA器件，選用ADI公司的AD97XX系列DA器件，完成數字IQ轉換為模擬IQ信號；

3）正交調制器，選用ADI公司的AD8345、ADL5385等正交調制器件，完成模擬IQ信號與本振信號的正交調制功能；

4）正交解調器，將從功放后的射頻信號耦合送入正交解調器，解調出模擬IQ信號；

5）雙通道AD器件，將解調的模擬IQ信號轉換為數字IQ信號，送入FPGA或DSP器件完成數字解調。

4.2 校正方法

針對DA、調制器件及電路中固有的非理想特性，要想使系統達到射頻指標，必須對本振泄漏和鏡像信號進行校正（如圖6所示）：1）調整DA器件中IQ通道各自的直流偏置，來補償整個電路中直流偏差，從而抑制本振泄漏；2）調整DA器件中IQ通道各自的DAC增益以及IQ通道相對相位差，來補償IQ通道幅度不平衡及正交相位誤差，從而抑制鏡像信號。

對于不同載波頻率時的鏡像抑制和本振泄漏的校正參數是不同的，以8MHz為步進間隔進行校正，并記錄下校正參數存儲在處理器中，在發射機工作在不同頻段時，調用存儲的校正參數對本振泄漏和鏡像信號進行校正。

5 結論

基于零中頻結構的發射機構造簡單，集成度高，成本低，但是需要精確的相位正交和幅度平衡。筆者通過理論分析和性能仿真，定性、定量地分析了本振泄漏、相位誤差和幅度不平衡對射頻性能指標的影響，以此指導硬件系統設計和調試。經過校正后的本振泄漏可以達到-70 dBm，鏡像抑制可以達到-60 dBc。使用R&S公司的ETL設備測試發射機射頻指標，調制誤差率（MER）可達到40 dB，帶外雜散低于55 dB，滿足數字電視發射機標準的技術要求。

[1] 郭里婷.DVB-S零中頻數字解調系統的實現[J].電視技術，2001，25（1）：35-37.

[2] NASH E.Correcting imperfections in IQmodulators to improve RF signal fidelity[EB/OL].[2010-10-13].http：//www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1039.pdf.

[3] 張立志，張陽，溫志強.射頻發射機鏡像抑制的分析與實現[J].無線電通信技術，2005，31（6）：21-22.

[4] ADL5385 50MHz to 2200MHz quadraturemodulator data sheet[EB/OL].[2010-10-14].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5385.pdf.

Research and Realization for Digital Television Modulation System Based on ZIF

YANG Fei,YANG Gang
（School of Information and Engineering,Communication University of China,Beijing 100024,China）

In This paper,the ZIF structure of digital television modulation system,performance,and hardware design are presented.It focuses on the relationship among phase imbalance,amplitude mismatch and RF performance,such as sideband suppression and modulation error.These theoretical analysis and stimulated performance have more instructional function on hardware design and debug for digital television modulation system based on ZIF structure.

ZIF;MER;sideband suppression;LO leakage

TN949.197

A

1002-8692（2011）12-0025-03

楊 霏（1980-），女，講師，主研數字電視傳輸及發射技術；

楊 剛，講師，主研數字信號處理及數字電視發射技術。

哈宏疆

2010-12-13