作者：Bruce Hemp and Sunny Hsiao

IQ 調制器是射頻系統的多功能構建模塊。最常見的應用是為數字通信系統生成RF信號。本文說明了 LTC5599 低功耗 IQ 調制器的調制準確度，并通過簡單示例展示了如何將該器件集成到數字通信系統中。

什么是智商調節器？

IQ 調制器是一種將基帶信息轉換為射頻信號的設備。在內部，兩個雙平衡混頻器組合在一起，如下所示。通過同時使用同相 （I） 和正交 （Q） 輸入進行調制，可以選擇任意輸出幅度和相位。

通過針對幅度和相位的特定點，可以創建高階調制。下面顯示的是16-QAM。有四個可能的 I 值，它們解碼為兩個位。Q 軸也是如此。因此，每個符號可以傳達四位信息。

IQ 調制器的基本架構

調制器應用

在調制器器件的中心頻率、帶寬和精度能力范圍內，幾乎任何類型的射頻調制都可以通過 IQ 調制生成。表 1 示出了 LTC5599 的一些應用。

調制精度和 EVM

誤差矢量幅度或EVM是數字無線電通信系統中調制精度的量度。調制精度很重要，因為調制信號上的任何誤差都可能導致接收困難或占用帶寬過大。如果不加以控制，接收器可能會出現過多的位錯誤，有效接收器靈敏度可能會降低，或者發射相鄰通道功率（ACP）可能會升高。

誤差矢量是I-Q平面中實際接收或發送的符號與理想參考符號之間的矢量。EVM是誤差矢量功率的平均值與平均理想參考符號矢量功率的比值。它通常以dB或百分比表示。

圖1是一個測試設置示例，顯示了LT C5599低功耗直接正交調制器可實現的調制精度。圖 2 顯示了結果。在該測試中，精密實驗室設備向調制器生成每秒30k符號的16-QAM基帶（120kbps）和450MHz LO輸入信號。矢量信號分析儀（VSA）檢查調制器輸出。

圖1.用于測量基本調制精度的測試設置

圖2.LTC5599 EVM 使用實驗室級基帶和 LO 信號發生器進行測量。請注意，MER測量超過49dB，基本上是“廣播質量”。

在圖 2 中，EVM 與時間的結果顯示，所有符號的 EVM 均處于較低水平，而誤差摘要顯示 EVM 約為 0.24% RMS，峰值約為 0.6%。這確實是出色的性能，從49.6dB的調制誤差比（MER）可以看出。

LTC5599 具有內部微調寄存器，便于微調 I 和 Q DC 失調、幅度不平衡和正交相位不平衡，以進一步優化調制準確度 — 如果調整微調寄存器，結果會更好。

在許多方面，該測試證明了調制器在未優化的情況下的最佳情況能力：基帶帶寬大，DAC精度和分辨率出色，數字濾波幾乎理想。1雖然這些測試結果對于測量調制器的真實性能很有用，但實際的低功耗無線實現需要一些折衷，如下所述。

從可編程邏輯或 FPGA 驅動

許多FPGA和可編程器件支持數字濾波器模塊（DFB）功能，這是數字通信的基本構建模塊。原始傳輸數據很容易進行 IQ 映射和數字過濾。圖 3 示出了如何利用 Cypress PSoC 5LP 等器件來驅動 IQ 調制器（如 LTC5599）的示例。

圖3.傳輸勵磁器框圖。（完整的原理圖如圖 4 所示。

數字插值用于增加DAC時鐘頻率，從而提高DAC鏡像頻率。這降低了LC重構濾波器的濾波器階數要求，用于將DAC鏡像衰減到可接受的水平，同時最大限度地減少相位誤差和寬帶噪聲。

圖4所示為完整電路。與單端基帶驅動相反，調制器的差分基帶驅動可提供最高的RF輸出功率和最低的EVM。LTC6238 低噪聲放大器 U2 將 DAC 單端 I 和 Q 輸出轉換為差分輸出。2輸入放大器U2增益設計用于將DAC的輸出電壓范圍調整到調制器輸入電壓范圍，濾波端接電阻R的衰減效果為2：1L（I）和 RL（Q）被考慮在內。輸入放大器U2還設計用于為IQ調制器提供所需的輸入共模電壓，這對于保持適當的調制器直流工作點和線性度非常重要。

圖4.驅動具有可編程邏輯和DAC的IQ調制器。無源貝塞爾濾波器可衰減DAC鏡像，提供最低的RF輸出本底噪聲，同時施加可忽略不計的符號誤差矢量。

DAC重建低通濾波器（LPF）設計采用經典LC濾波器合成方法。一些濾波器并聯電容作為共模電容接地實現。這也降低了共模噪聲，共模噪聲會進入調制器輸出。如果此處使用有源濾波器，則調制器之前的最后一個濾波器級應該是無源LC屋頂濾波器，以實現最低寬帶RF本底噪聲。

表 2、圖 5 和圖 6 顯示了性能結果。在這種情況下，EVM受到基帶波形的數字精度的限制，此處由U1 FIR濾波器抽頭的數量（63）和DAC分辨率（8位）決定。因此，當IQ調制器損傷被調整出來時，EVM并沒有實質性改善，如表2所示。對于較低的 EVM，請使用更多的 FIR 濾波器抽頭和更高分辨率的 DAC。

圖5.EVM 測量詳細信息。兩個IC器件取代實驗室信號發生器。它并不完美，但通常“足夠好”。

圖6.輸出頻譜。在這種設計中，最接近的鏡像雜散下降約70dB，對于大多數系統來說相當不錯。調制器RMS輸出功率測量?4dBm。仍然需要諧波濾波。

在比較圖2和圖5所示的結果時，我們可以看到用可編程邏輯和運算放大器濾波器組成的電路替換高級實驗室信號發生器所付出的代價。EVM 從 0.24% RMS 增加到 0.8% RMS。EVM的增加主要是由于可編程邏輯IC生成的波形不如實驗室儀器精確。在實際實現中就是這種情況，但圖5顯示了一個相當不錯的眼圖，并且顯示調制精度的匯總測量值對于大多數應用來說已經足夠了。

在圖6中，我們看到輸出頻譜非常干凈。DAC鏡像雜散相對于所需信號的幅度由sin（x）/x估計，其中x = πf/f時鐘，加上DAC LC重構濾波器提供的衰減。對于最低的鄰道功率，長FIR濾波器（許多抽頭）和低相位噪聲LO是必不可少的。

更高頻率跨度掃描顯示除載波諧波外沒有可見的雜散產物，必須照常進行濾波。

在許多情況下，低輸出本底噪聲也很重要，例如當發射器和接收器雙工或共存時，當使用高PA增益時，或者當多個發射器同時運行時。表3顯示了圖3所示系統在以460MHz調制載波頻率發射時測得的輸出噪聲密度。低U2運算放大器噪聲與LC重構濾波器的5階滾降相結合，使基帶噪聲貢獻盡可能低。

3.3V時的總電流消耗為96mA，如表4所示。大部分直流電源由可編程邏輯器件U1消耗，每個DFB的額定功耗為21.8mA，時鐘頻率為67MHz。3總之，DFB占數字功耗的81%。顯然，降低數字部分電流消耗的關鍵是DFB架構的優化，這超出了本文的范圍。4

結論

凌力爾特的 LTC5599 IQ 調制器是一款多功能射頻構建模塊，可提供低功耗、高性能、寬頻率范圍和獨特的優化功能。它簡化了無線電發射器的設計，而不會犧牲性能或效率。

審核編輯：郭婷