正交調制器時序問題的分析與優化

彭繼強,楊 豪,王旭亮

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在工程應用中,數字正交調制器在采樣速率較高時,容易發生調制數據時序問題,因此而導致IQ相位不平衡、相噪惡化等,并且在帶有隨機數據調制時不易被發現,嚴重影響數字正交調制器的調制效果。為了解決以上問題,引入固定輸入信號、同相正弦輸入信號和正交正弦輸入信號3種特定信號分析解決問題。

AD公司的高性能數字正交上變頻器AD9957作為調制器具有方便易用、頻率靈活、IQ幅相一致性好的優點。然而,由于其數據接口是IQ支路時分復用的18位寬并行總線,當采樣速率較高時,容易發生調制數據時序問題。在系統中,調制數據時序問題會導致IQ相位不平衡和相噪惡化等,嚴重時會導致調制數據錯誤。在帶有隨機數據調制時,數據錯誤容易被發現,但是由于調制后中頻帶寬較大,使因調制數據時序不佳導致的IQ相位不平衡和相噪惡化的問題不易被發現。

1 3種輸入信號的分析

數字正交調制器通常由一對數字乘法器和一個數字加法器組成,其組成如圖1所示。數字正交調制器的4個輸入信號中,2個是數字載波信號,它們是一對正交的正弦和余弦波形,角頻率都是 ωC(ωC=2πfC,fC是載波頻率)。另2個是I和Q支路數字基帶信號。調制輸出Y(t)是基帶信號上變頻到載波頻率(fC)后的調制信號。

圖1 數字正交調制示意圖

1.1 固定輸入信號分析

假設固定輸入信號輸入載波信號頻率為 ωC,I和Q輸入信號不隨時間變化,幅度系數為K(0≤K≤1)。則I和Q輸入信號輸入表達式為:

可得輸出信號Y(t)的表達式:

式中,余弦函數的自變量只有輸入載波信號頻率ωC,說明輸出信號Y(t)是一個與輸入載波信號頻率 ωC相同的單頻信號。

1.2 同相正弦輸入信號分析

假設同相正弦輸入信號輸入載波信號頻率為ωC,I和Q輸入信號為同一正弦波,幅度系數為K(0≤K≤1),角頻率為 ωB。則 I和Q輸入信號輸入表達式為:

可得輸出信號Y(t)的表達式為:

式中包括2個余弦函數,一個余弦函數有角頻率項ωC+ωB,另一個有角頻率項 ωC-ωB,說明輸出信號Y(t)由2個信號組成,各自與載波頻率fC偏移基帶頻率 fB。

1.3 正交正弦輸入信號分析

假設正交正弦輸入信號輸入載波信號頻率為ωC,I和Q輸入信號由一對角頻率為 ωB的正交信號組成,幅度系數為K(0≤K≤1)。則I和Q輸入信號輸入表達式為:

可得輸出信號Y(t)的表達式為:

式中只有一個單一的余弦項,說明Y(t)只由一個單頻信號組成,其角頻率為載波角頻率 ωC與基帶角頻率 ωB之和。如果將I和Q的輸入信號交換,式(5)中角頻率為載波角頻率 ωC與基帶角頻率 ωB之差,其他并不改變。固定輸入信號,同相正弦輸入信號和正交正弦輸入信號的頻譜如圖2所示。

圖2 3種不同輸入信號時的頻譜

2 時序問題的實測與分析

在AD9957作為正交數據調制器工作時通過頻譜儀對65.536 MHz和131.072 MHz兩種采樣速率時的調制輸出進行實測。

當采樣速率為65.536 MHz時,用頻譜儀觀察調制器輸出,與理論上的推導結果相符,相位噪聲優于-65 dB,輸出正常。圖3為在65.536MHz時的不同輸入信號的頻譜。正交正弦輸入信號時,輸出為圖3(b)中的左半部分和右半部分。

圖3 65.536 MHz時不同輸入信號的頻譜

當采樣速率為131.072 MHz時,用頻譜儀觀察調制器輸出,出現IQ不平衡和相噪惡化問題,導致輸出結果不正常。131.072 MHz時觀察到的不同輸入信號的頻譜如圖4所示。

圖4 131.072 MHz時不同輸入信號的頻譜

從圖4中可以觀察到,固定輸入信號的頻譜,因數據不隨時鐘變化,輸出正常;同相正弦輸入信號以及角頻率相加和相減時的正交正弦輸入信號的頻譜,有IQ相位不平衡和相噪惡化。正交正弦輸入信號時,輸出為圖4(b)中的左半部分和右半部分。

對整個數據通路中的延時進行分析。用示波器觀察,因PCB走線造成的相對延時不超過0.2 ns,低于示波器誤差,可以忽略。對FPGA芯片中電路進行時序分析,寄存器到管腳延時,最大延時6.1 ns,最小延時0.4 ns,skew(數據偏斜,即相對延時)約6 ns;寄存器到寄存器延時,最大延時7 ns,最小延時1 ns,skew約6 ns。可見FPGA芯片內的傳輸延時造成18位數據之間skew較大,由于131.072MHz的采樣速率對于6 ns(166.7MHz)的skew已達到臨界,導致時鐘采樣點數據不穩定,造成了IQ相位不平衡和相噪惡化現象。

AD9957理論上可支持最高250 MHz的基帶采樣速率,在采樣速率65.536 MHz時工作正常,但在采樣速率為131.072 MHz時,由于采樣速率基帶數據時序問題導致AD9957的輸出不正常,嚴重影響了數字正交調制器的效果,降低了其調制性能。

3 時序優化及性能實測

為了解決上述問題,對FPGA內部進行時序優化,使關鍵信號的扇入和扇出路徑盡量短,減小絕對延時,優化并行數據的輸出寄存器的位置,使寄存器到管腳延時一致,skew最小。經過時序分析可以觀察到,最終輸出的skew不超過0.02 ns。

通過以上的方法優化后,再按相同方法進行測試,當采樣速率為131.072MHz時,用頻譜儀觀察調制器輸出,與理論結果相符,輸出正常,相位噪聲優于-65 dB。再將采樣速率提高到196.608 MHz,與理論結果相符,輸出正常。

優化時序消除了調制器輸出的IQ相位不平衡和相噪惡化問題后,實測了調制隨機數據時的調制輸出,基帶數據采樣速率196.608 MHz,中頻帶寬65.536 MHz,其頻譜第二旁瓣外抑制優于-45 dB,帶外抑制優于-60 dB。可見AD9957具有優異的調制性能。

4 結束語

在帶有隨機數據調制時,調制后中頻帶寬較大,使IQ不平衡和相噪惡化的問題不易被發現,通過引入固定輸入、同相正弦輸入和正交正弦輸入3種信號對調制器輸出進行測試,并對時序進行分析和優化,很好地解決了以上問題,提高了數字正交調制器的調制效果。以上方法也適用于AD9957以外的各種正交調制器的測試和優化。

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