載波泄漏與I/Q失配矯正技術

雷倩倩

(西安工程大學理學院,陜西西安 710048)

載波泄漏與I/Q失配矯正技術

雷倩倩

(西安工程大學理學院,陜西西安 710048)

提出了一種基于數字基帶的載波泄漏與I/Q失配矯正方案.該方案只需在射頻芯片上引入一條矯正通路,將載波泄漏與I/Q失配量檢測出來發送給數字基帶,數字基帶完成矯正工作,減小了芯片面積和功耗,降低了設計難度.在TSMC 0.13μm CMOS工藝下,系統仿真結果表明,該矯正方案的載波泄漏誤差小于1.5%,I/Q失配的相位與幅度矯正誤差均小于6.5%.矯正鏈路的測試結果表明,I/Q幅度的不匹配體現在輸入信號兩倍的頻率上,矯正鏈路的帶寬為20 MHz,鏈路增益變化范圍為15 dB,步長為5 dB.

直接變頻結構;載波泄漏;I/Q失配;直流失調

在直接變頻發射機結構中,一個嚴重的缺點是載波泄漏.載波泄漏會超越頻帶內的信號,降低信噪比,使誤碼率升高.同時,載波泄漏會影響信號功率的精度指標,限制信道容量.另一個嚴重的缺點是同相和正交支路的幅度和相位失配,這種同相/正交(In-phase/Quadrature,I/Q)不平衡是發射機的性能瓶頸之一.常用的載波泄漏與I/Q失配矯正方案主要有兩種:一是基于模數轉換(Analog to Digital,AD)和數模轉換(Digital to Analog,DA)的矯正系統[1-4],需要在I/Q兩路分別引入兩套相同的矯正方案,為了得到合適的直流失調補償量,數字矯正算法比較復雜;二是基于功率檢測器的矯正技術[5-10],此技術需要引入功率檢測器等一些矯正模塊,而功率檢測器的設計較復雜.

筆者提出了一種新的矯正方案——基于數字基帶的矯正系統.此方案只需要在射頻芯片上引入一條矯正通路,將載波泄漏與I/Q失配量檢測出來發送給數字基帶,其矯正工作是在數字基帶完成的,降低了設計難度.下面首先介紹基于數字基帶矯正系統的矯正原理,接著分別介紹載波泄漏與I/Q失配的矯正方法,最后對此矯正方案進行仿真與測試驗證.

1　基于數字基帶矯正系統的矯正原理

發射機中基于數字基帶的矯正系統如圖1所示,只需在射頻芯片上建立一個矯正通路(虛線框部分),對載波泄漏和I/Q失配量進行檢測.數字基帶接收到射頻芯片產生的這些信號后,對其進行采樣和傅里葉變換,從而將失配信息取出,并在發射機輸入端發送正常工作信號時加上取反后的失配信息,消除射頻芯片的載波泄漏和I/Q失配.這種矯正系統主要的工作是在數字基帶實現的,射頻芯片只起一個橋梁作用,這相比于集成在射頻芯片上的自矯正系統[1-10]來說,設計難度降低了.

圖1　基于數字基帶矯正系統的數學模型

在圖1的基礎上建立一個發射機的數學模型.假設I路增益為α,Q路增益為β,I、Q兩路的等效輸入直流失調分別為δI和δQ;I、Q輸入測試信號分別為χBBI(t)=k cos(ω1t),χBBQ(t)=k sin(ω1t);I、Q載波信號分別為.其中k和ω1分別為輸入測試信號的幅度和頻率,ωC和θ分別為載波信號的頻率和I/Q相位失配.

在發射機正常工作時,若鏈路中存在直流失調和I/Q失配,將上變頻混頻器的輸出信號平方后,得到

其中,M、N分別代表其他的直流項、高頻項.若α=β,θ=0,那么式(1)中除直流項外,僅含有2ωC±2ω1項,因此式(1)中的ω1和2ω1體現了發射鏈路中直流失調和I/Q失配的信息.

2　基于數字基帶矯正系統的矯正方法

2.1載波泄漏的矯正方法

對鏈路中存在直流失調的矯正方法進行分析.在I路發送測試信號χBBI(t),Q路不發送數據,對上變頻混頻器的輸出信號進行平方和帶通濾波后,得到

其中,ω1的幅度中含有δ1的信息.利用數字基帶中的模數轉換器在接收端對χ2(t)進行采樣和傅里葉變換轉換到頻域,可知

其中,A是ω1和2ω1處幅度的比值.在式(3)中,由于k已知,通過計算A值來求δI的大小.在正常工作時,把-δI通過加法器加在I路數字基帶數模轉換的輸入端,當I路信號k cos(ω0t)-δI應用到帶有δI的射頻發射機時,成為k cos(ω0t),從而實現I路δI的消除.Q路δQ的消除方法與I路相同.

2.2I/Q失配的矯正方法

首先分析I/Q幅度的矯正.在上節中,δI和δQ都已消除,在這里認為δI=δQ=0.在I路發送信號χBBI(t),Q路不發送數據,信號經過上變頻、平方和濾波后,得到

從式(4)看出,2ω1的幅度中含有α的信息.利用模數轉換對χ2(t)進行采樣和傅里葉變換后,得到

記A=α2k2/8,接著,在Q路發送測試信號k cos(ω1t),I路不發送數據,同理,得到Q路增益β的信息B=β2k2/8.記ε為Q路增益失配系數,表示為

在正常工作時,把ε通過乘法器加在Q路基帶數模轉換的輸入端,Q路信號為εk sin(ω0t)=(αkβ)sin(ω0t).當I/Q兩路信號k cos(ω0t)和(αkβ)sin(ω0t)分別應用到I路增益為α和Q路增益為β的射頻發射機時,變成了αk cos(ω0t)和αk sin(ω0t),從而實現I/Q幅度失配的矯正.

接著分析I/Q相位的矯正.在I路發送信號χBBI(t),Q路發送χBBQ(t),且α=β,信號經過上變頻、平方、濾波和采樣變換后,得到

從式(7)可知,2ω1的幅度中含有θ的信息.記C=α2k2sinθ4,那么

在正常工作時,把θ通過補償電路加在Q路基帶數模轉換的輸入端,從而實現I/Q相位失配的矯正.

3　電路實現和仿真驗證

3.1電路實現

平方電路如圖2所示.左半電路(M1～M5)為主放大器,完成能量檢測;右半電路(M6～M10)為從放大器,提供與主放大器相同的直流偏置.左右兩邊電路具有相同的管子尺寸并偏置在相同的條件下,減小電路自身因溫度和工藝變化所引起的失調電壓.電路通過使用一對工作在飽和區的晶體管M1和M2將差分輸入

圖2　平方電路

電壓Vac轉換為電流I1:

從式(9)看出,利用上述結構可以完成對上變頻混頻器輸出信號的平方處理.

本設計采用低階的方式來實現帶通濾波器的功能.低頻可變增益放大器采用可編程反饋為基礎的結構,為了提高載波泄漏的檢測范圍,可變增益放大器具有-5 dB,0 dB,5 d B和10 d B這4組不同的增益值供選擇,使有用頻率信號得到了充分放大和衰減.

3.2仿真驗證

首先,對載波泄漏矯正進行驗證.在I路上變頻混頻器的輸入端人為地加入15 m V模擬直流失調量,在I路發送幅度為120 m V、頻率為3 MHz的測試信號,Q路不發送信號,載波信號的頻率為2.45 GHz.

圖3　可變增益放大器輸出波形相應的頻譜

信號經過上變頻、平方、濾波、放大處理后的輸出頻譜如圖3(a)所示.由圖3(a)可計算出A值為0.507.已知k=120 m V,由式(3),得

其次,驗證I/Q幅度矯正.在I路發送幅度為100m V,頻率為3 MHz的信號,信號經混頻器、平方檢測器、濾波器和放大器后的輸出頻譜如圖3(b)所示.圖3(b)中僅包含有用頻率成分6 MHz的信號,這與式(4)吻合.接著,在Q路發送幅度為125 m V的信號,可變增益放大器的輸出頻譜如圖3(c)所示.根據式(6)和圖3(b)～(c)可知,A=14.04 m V,B=20.08 m V,Q路的增益失配系數ε=0.836 2.由于事先在I路輸入100 m V,Q路輸入125 m V,通過在Q路乘以ε后,Q路的幅度變為104.5 m V,因此,矯正通路的矯正誤差率為

最后,驗證I/Q相位矯正.I路發送幅度為100 m V,相位為0°的信號;Q路發送幅度為100 m V,相位為85°的測試信號.I/Q兩路輸入信號經過上述檢測通路后的輸出波形如圖3(d)所示.可知變量C=2.295 m V.根據式(8),sinθ=0.081 7,因此,θ=4.69°,矯正誤差率為

4　測試結果與分析

上述電路在TSMC 0.13μm工藝下實現,電源電壓為1.2 V,所占芯片面積為0.053 mm2.圖4給出了發射機中,當I路和Q路的輸入幅度相差5 d Bm時,從接收鏈路可變增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)的輸出端觀測到的輸出波形,其中圖4(a)～(c)的輸入信號分別為2 MHz、9 MHz、10 MHz.從圖4看出,當發射機I、Q的輸入端存在幅度失配時,輸入信號通過此矯正通路,可以得到2倍輸入頻率的信號(即4 MHz、18 MHz和20 MHz),且輸出信號的幅值分別為110 m V、120 m V和90 m V,從而驗證了基于數字基帶矯正系統的功能是正確的.由于接收機鏈路中的可變增益放大器在最大增益時的帶寬為47 MHz,因此,根據以上結果可以看出,矯正鏈路中所設計的可變增益放大器的帶寬近似為20 MHz.圖4中除了想要的頻率外,還包含8 MHz,90 MHz,10 MHz等比較大的諧波,這是由于在此次測試版的矯正鏈路中沒有包含低通濾波器.在以后的改版中,將矯正鏈路復用接收機中的濾波器,從而減小高頻分量.矯正通路中可變增益放大器增益隨數字控制字變化的測試結果表明,當增益控制字從00變化到11時,可變增益放大器的增益從-5 d B變化到10 d B,線性增益變化范圍為15 dB,增益步長為5 d B.

圖4　矯正鏈路的輸出波形

表1給出了上述矯正技術與其他矯正技術的比較結果.可以看出,基于功率檢測器的矯正系統包含功率檢測器,設計比較復雜且占用面積大;基于模數轉換和數模轉換的矯正系統需要數字矯正算法和片上集成AD/DA,對版圖的依賴性較高,矯正效果不是特別好;而基于數字基帶的矯正系統需要與數字基帶配合使用,除了通用性不高外,其他性能都優于其他兩種矯正系統.

表1　矯正技術實現方式的比較

5　結束語

針對發射機中的載波泄漏和I/Q失配問題,提出了一種基于數字基帶的矯正方案.利用數字基帶對射頻芯片產生的帶有失調信息的信號進行采樣和傅里葉變換,將失調信息取出,接著在發射機輸入端發送正常工作信號時加上取反后的失調信息,從而消除射頻芯片的載波泄漏和I/Q失配.此矯正方案僅需在射頻芯片上引入一條矯正通路,降低了設計難度.在TSMC 0.13μm工藝下,當電源電壓為1.2 V時,所占芯片面積為0.053 mm2.

[1]BRENNA G,TSCHOPP D,ROGIN J,et al.A 2 GHz Carrier Leakage Calibrated Direct-Conversion WCDMA Transmitter in 0.13μm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2004,39(8):1253-1262.

[2]KANG B,YIM J,KIM T,et al.Design and Analysis of an Ultra-wideband Automatic Self-calibrating Upconverter in 65 nm CMOS[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2012,60(7):2178-2191.

[3]ITO H,NAKAMOTO H,KUDO M,et al.Local Quadrature Signal and Carrier Leakage Calibration Techniques for a Mobile-WiMAX Transceiver[C]//IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems. Piscataway:IEEE,2010:1-4.

[4]SHIH H Y,WANG C W.A Highly-integrated 3-8GHz Ultra-wideband RF Transmitter with Digital-assisted Carrier Leakage Calibration and Automatic Transmit Power Control[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems,2012,20(8):1357-1367.

[5]YIN Y,CHI B,QIAN Y,et al.A 0.1-5GHz SDR Transmitter with Dual-mode Power Amplifier and Digital-assisted I/ Q Imbalance Calibration in 65 nm CMOS[C]//IEEE Asian Solid-State Circuits Conference.Piscataway:IEEE,2013: 205-208.

[6]KANG B,YIM J,KIM T,et al.An Ultra-wideband Transmitter with Automatic Self-calibration of Sideband Rejection Up to 9 GHz in 65 nm CMOS[C]//International SoC Design Conference.Piscataway:IEEE,2010:332-335.

[7]NASSERY A,BYREGOWDA S,OZEV S,et al.Built-in Self-test of Transmitter I/Q Mismatch and Nonlinearity Using Self-mixing Envelope Detector[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems,2014,99(11): 1-11.

[8]LI Y,HAN K,DONG C,et al.A Multi-band Low-noise Transmitter with Digital Carrier Leakage Suppression and Linearity Enhancement[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers,2013,60(5):1209-1219.

[9]KELLER M,KUNG R.Adaptive Carrier Suppression for UHF RFID Using Digitally Tunable Capacitors[C]// European Microwave Conference.Washington:IEEE Computer Society,2013:943-946.

[10]LEE S,LEE J,LEE I.et al.A New TX Leakage-suppression Technique for an RFID Receiver Using a Dead-zone Amplifier[C]//IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers.Piscataway:IEEE,2013: 92-93.

(編輯:郭 華)

Carrier leakage and I/Q mismatch calibrated technique

LEI Qianqian
(School of Science,Xi’an Polytechnic Univ.,Xi’an 710048,China)

The carrier leakage and I/Q mismatch calibrated technique based on the digital baseband for the direct conversion transmitter is described.The proposed technique only needs a calibration chain to detect mismatches,and then transmits them to the digital baseband,which completes the calibrated task.The proposed method is very simple in reducing die areas and power dissipation.Under TSMC 0.13μm CMOS technology simulation,the calibrated error of carrier leakage is less than 1.5%and the error of I/Q mismatch is less than 6.5%.The measurement results indicate that I/Q amplitude mismatch is reflected at twice the input frequency.The calibrated chain gain range is 15 d B with a 5 dB step,and the bandwidth is 20 MHz.

direct conversion architecture;leakage calibration;I/Q mismatch;direct current offset

TN47

A

1001-2400(2016)03-0149-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.026

2015-01-20

時間:2015-07-27

國家青年科學基金資助項目(61271166);西安工程大學博士科研啟動經費資助項目(BS1209)

雷倩倩(1984-),女,講師,博士,E-mail:leiqianqian@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.026.html