1. 概述
近几年来,移动通信在我国得到了迅速的发展和普及,无线通信的发射机与接收机技术也得到迅猛发展。射频发射机的主要功能是实现基带信号调制、上变频和功率放大。与接收机的结构相比,发射机的结构相对比较简单。通常有:

· 直接上变频(又称:零中频调制)
· 间接上变频(又称:两级变频或超外差式)
· 数字中频发射机

 

标准的IQ正交调制电路的结构非常简单,它分为IQ 基带发生器和IQ 混频器两大部分。不管是调幅,调频或是调相信号,只需要通过改变不同的IQ 基带信号就可以实现。而IQ 调制器的作用是将基带IQ 信号搬移到载波上。正交调制器通常能实现较高的相位精度与幅度平衡,非常适合于通信系统中的直接上变频(零中频调制),因此广泛用于直接上变频发射机,例如蜂窝移动通信、WLAN、UWB超通信系统、蓝牙、GPS 等系统中,是现代无线通信系统中的关键元件。

 

下图1所示是正交调制器的框图,如果用于直接上变频发射机,省去了第二本振,中频滤波器和混频器,使发射机系统结构简化,从而降低了成本、体积和功耗。

 

图1. 正交调制器原理框图

 

正交调制器的固有缺点在于本振泄漏和边带抑制(本振泄漏主要是由IQ信号的直流偏置,IQ差分信号的不平衡性以及本振和射频的隔离指标差等因素造成的)。理想情况下,正交调制器只是完成基带频谱的搬移和叠加,不会造成信号的带外频谱增生或是产生带内失真。正交调制器会不可避免的存在非理想因素,使得输出信号产生各种失真,影响通信质量,所以正交调制器的射频性能需要进行全方面的测试。

 

测试IQ调制器的镜像抑制一般采用单边带CW信号,输入的I信号:sinω0t,Q信号:cos⁡ω0t与正交本振混频以后可得调制信号s(t),其中ω0一般为扫频信号,从DC附近开始到几十或几百兆:

  s(t)=sinω0t∙cosωct-cosω0t∙ sinωc t
     =sin⁡(ωc-ω0 )t

 

如果IQ调制器完全理想,只会在(ωc-ω0)处产生一个单边带信号(单边带CW信号),但是由于调制器的不理想性,也会在(ωc+ω0)处产生一个镜像信号。与此同时在本振频率ωc位置也会有一个信号,称为本振泄漏。本振和镜像信号的抑制度是IQ调制器的重要指标。图2是一个典型的IQ调制器的单边带CW输出结果,载波为10G,IQ信号为30MHz,测试得到镜像信号的抑制度为42dB。此时采用任意波形发生器产生两路30MHz的sin和cos信号,分别提供给IQ调制器作为基带输入,也可以使用带有双源选件的矢网的两个通道输出相位差恒定为90度的CW连续波,用矢网的另一个好处就是,可以实现扫频模式下的本振和镜像抑制度的测试。

 

图2. 频谱仪测试矢量信号源的IQ调制镜像抑制度

 

2. 测试任务

本文采用的正交调制器待测件是来自ANALOG DEVICES的ADL5371,它的工作频率范围:500 MHz~1.5 GHz。下图3所示,该器件I+,I-,Q+,Q-端口分别为IQ双路差分基带输入,LO为单端本振输入(LOIN接匹配负载)。基带输入需要500mV的偏置电压。射频输出VOUT为单端50Ω。

 

图3. 正交调制器ADL5371 pin(左)和ADL5371的评估板

 

测试时,ADL5371的评估板需要输入0dBm、900MHz的单端本振。IQ双路差分基带输入的正弦波的峰峰值为1.4V,频率为1MHz,并且带有500mV的偏置电压。

 

测试项目包括:输出功率;输出1dB压缩点;载波馈通;边带抑制;正交相位误差;IQ幅度不平衡性;二次、三次谐波抑制;TOI;基带到射频幅频响应。

 

3. 测试平台

测试平台的核心是矢量信号源和信号与频谱分析仪,如下图所示。还包括直流电源和万用表(电压测量)。ADL5371安装在评估板Q MOD上。矢量信号源通常配备了差分IQ输出,可以将基带IQ以差分信号的形式从后面板的四个BNC接头输出。

 

图4. 正交调制器测试平台

 

4. 测试结果

4.1 信号源基本设置

4.2~4.4的测试项目中信号源设置如下图所示,基带产生1MHz的正弦波,基带IQ输出采用差分模式,输出电压峰值为0.7V,IQ端口偏置电压500mV。

 

图5. 信号源SMU200A基本设置

 

4.2 输出功率

从图6的标注M1看出,输出功率7.86dBm

 

图6. 输出功率测试结果

 

4.3 本振泄漏和边带抑制、二次谐波和三次谐波

从图7中D3,D2看出,边带抑制-51.5dBc,本振泄漏-57dBc
从图7中D4,D1看出,二次谐波抑制度为-72dB,三次谐波抑制度为-53dB。

 

图7. 输出功率测试结果本振泄漏和边带抑制、二次谐波和三次谐波测量结果

 

4.4 1dB压缩点

按1dB的步进增大差分IQ输出的电压,在频谱仪上看到输出功率的增加值小于1dB时就测出了1dB压缩点,从下图8中看出,输出压缩点为13.8dBm,在信号源上读取对应的输入IQ功率为1.567V。

 

图8. 1dB压缩点测量结果

 

4.5 IQ幅度不平衡性和正交相位误差

信号源产生1M符号速率的QPSK,IQ输出的设置与前面的测试项目相同。使用频谱仪的矢量信号分析(VSA)解调,下图9测试结果显示正交相位误差为0.08度,IQ幅度不平衡性为0.04dB。

 

图9. IQ不理想特性测量结果

 

4.6 TOI

信号源标配的Multi-Carrier功能产生3.5MHz和4.5MHz的双音IQ信号,IQ输出的设置与前面的测试项目相同,调整IQ输入电压直到双音信号输出功率到1.6dBm。利用频谱仪自带的TOI功能测得TOI为27.7dBm。

 

图10. TOI测量结果

 

4.7 基带到射频幅频响应

进行幅频响应测试需要用计算机程控信号源步进改变基带频偏,频谱仪的测量迹线采用最大保持功能。从图11看出,从900MHz到940MHz,该正交调制器评估板的幅频响应最大值7.8dBm,最小值7.1dBm。需要特别注意的是,上述的幅频响应测量结果是对ADL5371评估板的测量结果,如果要得到ADL5371芯片的1dB和0.1dB带宽,还需对评估板电路的电路特性进行校准并修正。

 

图11. 幅频响应测量结果,采用SMU200A测量(上)与AFQ100B测量(下)