影響無線通信系統(tǒng)性能的直流失調(diào)電壓分析及校準(zhǔn)方法

　　摘要：直流失調(diào)電壓在無線通信系統(tǒng)中普遍存在，它對(duì)無線通信系統(tǒng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)性能造成不同程度的影響。在系統(tǒng)發(fā)送端，由于兩路正交的I/Q信號(hào)通路電路存在直流失調(diào)和失配，造成本振信號(hào)的泄漏，進(jìn)而影響發(fā)送端EVM及發(fā)送信號(hào)質(zhì)量。在接收端，直流失調(diào)和失配的存在會(huì)造成接收機(jī)靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍的下降，同時(shí)接收端直流失調(diào)電壓還會(huì)引入系統(tǒng)二階失真，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的線性度及靈敏度。本文分析了直流失調(diào)電壓產(chǎn)生的機(jī)理，并對(duì)直流失調(diào)和失配對(duì)于接收和發(fā)送端產(chǎn)生的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)而提出了校準(zhǔn)無線收發(fā)器直流失調(diào)電壓的方法。

　　關(guān)鍵詞：無線通信，系統(tǒng)性能，直流分析，失調(diào)電壓，校準(zhǔn)方法。

　　本文源自《電子技術(shù)》2019, 48(01): 50-53.《電子技術(shù)》是由上海市科學(xué)協(xié)會(huì)主管，上海市電子學(xué)會(huì)和上海市通信學(xué)會(huì)主辦的技術(shù)性月刊，1963年創(chuàng)刊，是中國最早的電子類期刊之一，也是目前國內(nèi)最具權(quán)威性、發(fā)行量最大的電子技術(shù)月刊。

　　隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，往往需要集成電路設(shè)計(jì)具有更高的工作速率、更復(fù)雜的調(diào)制方式、更高的線性度及更高的靈敏度。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)直流失調(diào)電壓指標(biāo)要求也越來越嚴(yán)格。特別是對(duì)于通信系統(tǒng)中最常見的多載波OFDM 64QAM或更高的調(diào)制信號(hào)來說，發(fā)送端直流失調(diào)電壓會(huì)嚴(yán)重破壞子載波信號(hào)的正交性，而嚴(yán)格的正交是保證OFDM工作性能的主要條件，這就會(huì)造成各載波之間嚴(yán)重的碼間干擾，發(fā)送信號(hào)的質(zhì)量將嚴(yán)重劣化，情況嚴(yán)重時(shí)，接收端將無法解調(diào)收到的信號(hào)。在無線接收端，由于OFDM調(diào)制方式導(dǎo)致信號(hào)具有大的峰均比，大的直流失調(diào)電壓會(huì)導(dǎo)致峰值電壓過早飽和，從而使得接收信號(hào)無法達(dá)到預(yù)期的線性度。本文對(duì)當(dāng)前無線通信系統(tǒng)中直流失調(diào)電壓來源進(jìn)行分析，并對(duì)直流失調(diào)電壓信號(hào)對(duì)收發(fā)信號(hào)的質(zhì)量的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出校準(zhǔn)直流失調(diào)電壓的方法，降低其對(duì)系統(tǒng)的影響。

　　如圖1所示，該電路是一個(gè)典型的無線收發(fā)器框圖，接收端信號(hào)從天線端經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入接收機(jī)后，送入正交I/Q 下變頻混頻器中，兩路正交的I/Q 信號(hào)先后經(jīng)過低通濾波器LPF、可編程放大器VGA和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送入數(shù)字基帶系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)處理。發(fā)送端從數(shù)字基帶調(diào)制獲得的兩路正交I/Q信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸出后，再經(jīng)過I/Q LPF及上變頻模塊后最終送入功率放大器PA，通過Balun匹配后送入天線實(shí)現(xiàn)大功率輸出。除了主通路，系統(tǒng)還需要RF PLL及LO buffer給上變頻及下變頻Mixer提供時(shí)鐘。

　　目前，無線接收機(jī)主流架構(gòu)有兩種：一種是低中頻架構(gòu)，一種是零中頻架構(gòu)。低中頻架構(gòu)輸入RF信號(hào)和LO本振信號(hào)之間有固定或可編程的小范圍頻率差，而零中頻架構(gòu)輸入的RF信號(hào)頻率則非常接近或等于LO信號(hào)頻率。接收機(jī)設(shè)計(jì)中我們一般關(guān)注的指標(biāo)是整個(gè)接收機(jī)的靈敏度及抗帶內(nèi)和帶外信號(hào)干擾的能力，同時(shí)也關(guān)注整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的面積及功耗。比較兩種架構(gòu)的直流失調(diào)電壓DC-offset及低頻flicker noise設(shè)計(jì)要求，低中頻架構(gòu)比零中頻架構(gòu)要求要低，但是即使設(shè)計(jì)采用低中頻架構(gòu)，DC-offset問題仍然對(duì)整個(gè)接收機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響，本文從低中頻的架構(gòu)出發(fā)，分析DC Offset對(duì)接收機(jī)的影響。

　　在發(fā)送端，基帶I/Q信號(hào)經(jīng)過數(shù)字調(diào)制器后送入模擬及射頻模塊，經(jīng)過I/Q DAC、LPF送入上變頻Mixer中，經(jīng)過I/Q Mixer上變頻處理后，信號(hào)相加并通過PA發(fā)送到匹配網(wǎng)絡(luò)及天線端。由于發(fā)送通路DAC/LPF/VGA不可避免存在一定的DC Offset誤差，另外MIXER的本振LO信號(hào)本身也可以通過上變頻Mixer泄漏到PA的輸出端，造成在PA輸出端不僅可以看到我們所需的有用信號(hào)，而且也可以看到我們不期望的本振泄漏信號(hào)。下面將分別分析無線收發(fā)機(jī)中直流失調(diào)電壓的來源，并分析直流失調(diào)電壓對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并在最后給出接收端和發(fā)射機(jī)直流失調(diào)電壓的校準(zhǔn)方法。

　　1 無線通信系統(tǒng)直流失調(diào)電壓對(duì)系統(tǒng)的影響

　　1.1 直流失調(diào)電壓對(duì)收發(fā)機(jī)的影響

　　一個(gè)完整的射頻收發(fā)電路，對(duì)于接收端和發(fā)送端關(guān)注的指標(biāo)差別非常大，不同的收發(fā)器的架構(gòu)，不同的調(diào)制方式和不同的工作頻率及功耗面積要求也對(duì)收發(fā)器的性能造成影響。對(duì)于接收機(jī)來說，接收機(jī)靈敏度及線性度是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)，靈敏度表征接收機(jī)的噪聲性能，而線性度則衡量接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍及抗帶外干擾的能力。圖2即為RX端的無線接收機(jī)射頻及模擬前端靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍需求，可以看到影響接收機(jī)靈敏度的因素除了本身的噪聲之外，為了抗一定的帶外干擾，需要給自動(dòng)增益控制電路(AGC)會(huì)預(yù)留一定的裕度。

　　評(píng)估接收機(jī)的靈敏度一般用下面兩個(gè)公式來表示，當(dāng)輸入由噪聲決定時(shí)，接收機(jī)的靈敏度一般用式(1)表達(dá)，調(diào)制方式越復(fù)雜，信號(hào)帶寬越寬，靈敏度越低。

　　(1)

　　接收機(jī)的靈敏度由接收機(jī)噪聲系數(shù)NF，信號(hào)的帶寬及接收機(jī)解調(diào)最低的SNR決定。通信中更多是一個(gè)小信號(hào)伴隨一個(gè)大的帶外干擾的情況，如圖2所示，此時(shí)接收的靈敏度除了受噪聲影響外，更多的是受接收機(jī)的線性度限制。可以用式(2)來表達(dá)，其中Pblocker為帶外干擾，IIP3則是接收機(jī)的輸入三階交調(diào)點(diǎn)。

　　由上面兩式可以看出，我們在評(píng)估接收機(jī)靈敏度時(shí)，要綜合接收機(jī)的噪聲系數(shù)、線性度、接收機(jī)增益及ADC的動(dòng)態(tài)范圍。理想情況下，無論接收機(jī)采用何種調(diào)制方式及通道增益范圍是多少，接收機(jī)的直流失調(diào)電壓均不應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)性能造成影響，但是實(shí)際上，接收機(jī)的直流失調(diào)電壓對(duì)接收機(jī)靈敏度影響不可忽略。特別是對(duì)于靈敏度附近的RF輸入信號(hào)來講，由于RF輸入信號(hào)太小，需要LNA及Mixer及基帶VGA提供一定的增益進(jìn)行放大，然后再通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。但由于直流失調(diào)電壓的存在，在放大有用信號(hào)的同時(shí)，接收機(jī)的DC電壓也被抬升，壓縮了接收通道的動(dòng)態(tài)范圍，使得接收機(jī)無法達(dá)到預(yù)期的增益，從而使得RF輸入的小信號(hào)得不到足夠的放大，無法滿足系統(tǒng)SNR的要求，導(dǎo)致接收機(jī)無法實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)。

　　對(duì)于發(fā)送端，我們更加關(guān)注發(fā)送信號(hào)的質(zhì)量，比如發(fā)送功率，發(fā)送線性度，發(fā)送的效率及發(fā)送端I/Q的失配及本振泄漏。對(duì)于不同的調(diào)制方式，發(fā)送端一般用EVM(誤差來衡量幅度)衡量發(fā)送端信號(hào)的質(zhì)量。EVM反映了發(fā)送端調(diào)制頻率、相位及幅度誤差的綜合指標(biāo)。當(dāng)發(fā)送端存在直流失調(diào)電壓時(shí)，我們也會(huì)在EVM星座圖中看到直流失調(diào)電壓對(duì)發(fā)送信號(hào)質(zhì)量的影響，式(3)為發(fā)送端EVM的表達(dá)式。由此可見，LO leakage就對(duì)應(yīng)直流失調(diào)電壓及LO本身泄漏，大的LO leakage會(huì)嚴(yán)重影響EVM的輸出[1]。

　　1.2 無線通信系統(tǒng)接收直流失調(diào)電壓的來源

　　在接收通道，DC Offset電壓主要有兩個(gè)來源[2]，一個(gè)是來自低通濾波器、可編程增益放大器和ADC電路本身，和電路的工藝、采用的架構(gòu)及電路尺寸均有關(guān)系，圖3標(biāo)注的VOS1~4對(duì)應(yīng)LPF輸入和VGA輸入效果的DC Offset。另外一個(gè)是由于Mixer有限的隔離度，本振LO信號(hào)也會(huì)饋通到LNA的輸入端，從而在輸入RF信號(hào)端也產(chǎn)生一定LO本振信號(hào)，該本振信號(hào)和無線輸入信號(hào)一起再和Mixer進(jìn)行混頻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)DC分量。該耦合的DC量會(huì)隨著天線阻抗和頻率以及LNA及Mixer的增益變化而變化。所以該DC Offset量是相對(duì)動(dòng)態(tài)變化的。了解了直流失調(diào)電壓的來源，后面就是詳細(xì)分析該直流失調(diào)電壓是如何影響系統(tǒng)接收性能的，并且需要在接收端設(shè)計(jì)時(shí)，予以一定程度的校準(zhǔn)，降低其對(duì)接收機(jī)的影響。

　　1.3 無線通信系統(tǒng)直流失調(diào)電壓對(duì)RX接收機(jī)系統(tǒng)的影響

　　直流失調(diào)電壓對(duì)接收系統(tǒng)的影響可以從靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍兩個(gè)方面來分析[3]，先不考慮外部大的干擾影響，當(dāng)外部輸入的RF信號(hào)比較大時(shí)，通道的增益比較小，DC Offset被放大倍數(shù)很小，對(duì)于系統(tǒng)影響是有限的。但是當(dāng)接收機(jī)輸入的RF信號(hào)很小時(shí)，通道增益通過AGC環(huán)路不斷放大，DC Offset也被不斷放大，大的DC Offset則會(huì)導(dǎo)致接收通道共模電壓被抬升，造成整個(gè)接收通道動(dòng)態(tài)范圍壓縮，導(dǎo)致接收通道無法放大到目標(biāo)增益。這樣RX信號(hào)就無法得到足夠的SNR，造成接收信號(hào)無法正確解調(diào)。另外一個(gè)方面當(dāng)接收通道存在大的DC Offset電壓失配時(shí)，接收通道會(huì)產(chǎn)生一個(gè)二階非線性。造成接收端IIP2增大，導(dǎo)致接收機(jī)線性度變差。而線性度變差進(jìn)一步影響整個(gè)通道抗干擾能力及接收靈敏度。

　　圖4是當(dāng)基帶差分信號(hào)存在直流失調(diào)電壓時(shí)所帶來的二階distortion的影響。

　　DC Offset對(duì)LNA的線性度影響可通過式(4)表達(dá)。采用完全匹配的全差分電路，只需要考慮三階失真影響，由于直流失調(diào)電壓存在，在輸出端不僅會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電路三階非線性系數(shù)相α3相關(guān)的直流量，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)二階失真量，這時(shí)DC Offset越大，系統(tǒng)二階失真越差。再考慮實(shí)際應(yīng)用全差分結(jié)構(gòu)也存在一定的失配，當(dāng)帶外存在兩個(gè)非常接近的干擾信號(hào)(Frf1和Frf2時(shí))，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)兩階交調(diào)量[4]，該交調(diào)量的頻率為Frf1-Frf2，非常接近DC，會(huì)進(jìn)一步惡化接收線性度和靈敏度。

　　(4)

　　1.4 無線通信系統(tǒng)直流失調(diào)電壓在發(fā)送端的來源

　　發(fā)送端的直流失調(diào)電壓也來自兩部分電路，一部分來自發(fā)送通道DAC、LPF及上變頻電路的直流失調(diào)電壓，如圖5發(fā)送端的框圖所示，下面的公式推導(dǎo)可以看到當(dāng)發(fā)送通道存在直流失調(diào)電壓時(shí)，會(huì)在輸出的RF信號(hào)看到不期望的本振輸出。

　　發(fā)送端的直流失調(diào)電壓另外一個(gè)來源是UP Mixer的本振LO信號(hào)，UP Mixer的隔離度有限，這個(gè)信號(hào)會(huì)直接泄放到發(fā)送端，并出現(xiàn)在發(fā)送的頻譜上。這兩種DC Offset產(chǎn)生機(jī)制都會(huì)導(dǎo)致發(fā)送端PA的輸出頻譜質(zhì)量變差，輸出得頻譜不僅包含有用信號(hào)，還包含不期望的本振泄漏信號(hào)，如圖6所示。

　　1.5 無線通信系統(tǒng)直流失調(diào)電壓對(duì)TX發(fā)射機(jī)的影響

　　在RF發(fā)送通道，上述分析的兩種DC Offset來源會(huì)造成發(fā)送端PA輸出存在本振泄漏信號(hào)，嚴(yán)重影響發(fā)送端EVM及性能。除了EVM變差之外，當(dāng)發(fā)送端存在較大的本振泄漏時(shí)，接收端解調(diào)時(shí)也就會(huì)產(chǎn)生大的DC Offset，從而對(duì)接收機(jī)性能造成影響。圖7所示是一個(gè)16QAM的EVM波形，如果存在DC Offset，星座圖就會(huì)偏離理想位置。如果系統(tǒng)SNR不夠高，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)送信號(hào)質(zhì)量急劇下降。

　　2 無線通信系統(tǒng)直流失調(diào)電壓的校準(zhǔn)方法

　　上面分別分析了無線收發(fā)系統(tǒng)中DC Offset的來源及對(duì)系統(tǒng)的影響，雖然DC Offset對(duì)通信系統(tǒng)接收和發(fā)送影響是不同的，但是都需要在電路設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮并盡可能減小以降低對(duì)系統(tǒng)的影響。我們先對(duì)接收端的DC Offset進(jìn)行校準(zhǔn)處理，在數(shù)字基帶中得對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，并在接收端通過反饋DAC在VGA中進(jìn)行補(bǔ)償。將接收端RX DC Offset消除后，再通過RX測量發(fā)送端的DC Offset，從而在發(fā)送端TX數(shù)字部分進(jìn)行DC Offset的補(bǔ)償及消除。下面分別進(jìn)行介紹接收和發(fā)送的DC Offset補(bǔ)償方案。

　　2.1 接收機(jī)直流失調(diào)電壓的校準(zhǔn)

　　RX通路I/Q的DC Offset可以通過ADC通道的輸出得到，由于VGA在接收通道提供比較大的增益，所以必須在VGA的輸入級(jí)將RX端的DC Offset盡可能地消除掉，以不影響后續(xù)ADC的動(dòng)態(tài)范圍。RX通道的DC Offset表征了整個(gè)接收通道的DC Offset。在進(jìn)行接收端DC Offset cancellation時(shí)，接收端產(chǎn)生一個(gè)本振激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過接收通道后，通過ADC得到數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)接收通道的DC Offset。為了消除接收通道的DC Offset, 采用6bit的 DAC 將DC Offset對(duì)應(yīng)得數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并輸入到VGA輔助通路的gm cell中。VGA的輸入的主gm cell和輔助通路gm cell的輸出實(shí)現(xiàn)電流相加，這樣當(dāng)接收通路存在DC Offset時(shí)，可以通過輔助gm cell進(jìn)行一定程度的抵消。DC Offset消除的精度和DAC的精度及主gm cell和輔助gm cell的匹配相關(guān)。這樣我們就通過反饋DAC就進(jìn)一步降低了整個(gè)RX通道DC Offset電壓。從而保證整個(gè)接收通道能夠達(dá)到預(yù)期的增益，且不影響ADC的動(dòng)態(tài)范圍，提升了整個(gè)系統(tǒng)的性能。圖8為RX端DC校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)框圖

　　2.2 發(fā)送端直流失調(diào)電壓的校準(zhǔn)

　　發(fā)送端的LO DC Offset校準(zhǔn)可以在發(fā)送的數(shù)字域完成。為了在發(fā)送端數(shù)字域進(jìn)行校準(zhǔn)，需要首先測量中發(fā)送端直流失調(diào)電壓的值，測量直流失調(diào)電壓精度一定程度上決定了DC Offset校準(zhǔn)及補(bǔ)償?shù)木取０l(fā)送端DC Offset測量的實(shí)現(xiàn)方案如圖9所示，上變頻之后的發(fā)送信號(hào)通過自混頻實(shí)現(xiàn)平方功能，經(jīng)過RC filter后濾除其中的高頻成分，再經(jīng)過單通道ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程的輸出頻譜如圖10所示。

　　其中TX發(fā)送端輸出波形的ωLO+ωBB為有用信號(hào)，ωLO-ωBB為鏡像信號(hào)，ωLO為本振泄漏信號(hào)。經(jīng)過平方、濾波及ADC轉(zhuǎn)換后，ωBB和2ωLO分別對(duì)應(yīng)直流失調(diào)電壓即DC Offset信號(hào)和鏡像信號(hào)。ADC后得到的DC 數(shù)字信號(hào)就對(duì)應(yīng)發(fā)送端的直流失調(diào)電壓。這樣就可以在發(fā)送端數(shù)字信號(hào)中加入經(jīng)過測量的DC Offset補(bǔ)償信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端的失調(diào)電壓校準(zhǔn)。這個(gè)校準(zhǔn)過程一般在系統(tǒng)開機(jī)啟動(dòng)階段進(jìn)行。在正常工作模式時(shí)，直流失調(diào)校準(zhǔn)補(bǔ)償信號(hào)已經(jīng)加載在發(fā)送端的數(shù)字信號(hào)中了。

　　3 結(jié)語

　　本文通過分析無線收發(fā)器中的直流失調(diào)電壓來源問題，給出了直流失調(diào)電壓對(duì)整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的影響同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過采用檢測和校準(zhǔn)一定程度上降低了直流失調(diào)電壓對(duì)收發(fā)系統(tǒng)的影響，通過該方法可對(duì)不同調(diào)制方式的收發(fā)器進(jìn)行優(yōu)化處理，從而保證了整個(gè)接收的靈敏度和線性度，保證了發(fā)送端信號(hào)的質(zhì)量，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的性能。

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