数字调制系列：IQ调制器特性

在前面关于数字调制的文章中分别介绍了IQ 调制的基本理论及调制解调的数学解析及图解过程，阐述了常见的数字调制方式，并解释了为什么经过IQ 调制器之后带宽会翻倍的原因。本文将着重介绍模拟IQ 调制器的特性，为后面的IQ 调制性能验证测试作准备。

模拟IQ 调制器包含Mixer，在上变频的过程中，势必会产生镜频产物。当输出无频偏信号时，即信号中心频率与调制器的LO 信号频率相同时，相当于采用的是Zero-IF 机制，镜频产物与信号本身不可分割，即使通过滤波器也无法滤除镜频。庆幸的是，采用IQ调制及解调器，即使存在镜频产物，依然可以恢复出原始的IQ信号。这也是为什么模拟IQ 调制器之后不需要镜频抑制滤波器的原因。

由于这种正交架构，IQ 调制器本身是具有一定镜频抑制能力的，但是只有在输出具有一定频偏的信号时，即信号中心频率与LO 信号频率不同时，才能体现出镜频抑制特性。下面将通过一些特殊的基带IQ 信号进行解析分析，阐述影响镜频抑制特性的因素，及如何改善镜频抑制特性。

1. IQ 信号幅度平衡性对镜频抑制的影响

IQ信号幅度不平衡(即幅度不同)，要么是输入至调制器的I 和Q 信号的幅度不平衡，要么是调制器具有一定的增益不平衡(即I 和Q 两路的增益不同)，这些都会影响对镜频的抑制能力。

令i(t)=Acosw_bt，q(t)=sinw_bt，则经过IQ调制输出的射频信号s(t)为

s(t)=Acosw_bt· cosw_ct - sinw_bt · sinw_ct

积化和差得

s(t)=0.5(A+1)cos(w_c+w_b)t + 0.5(A-1)cos(w_c-w_b)t

当A=1时，射频信号中只有上边带(w_c+w_b)分量；

当A=-1时，射频信号中只有下边带(w_c-w_b)分量；

当A≠±1时，射频信号中同时包含上边带(w_c+w_b)和下边带(w_c-w_b)两个分量。

以上通过解析方式介绍了IQ 调制器的镜频抑制特性，其实通过图解方法也可以清晰简便地进行说明。下面考虑A=1的情况，图1 给出了载波信号的傅里叶变换，这是双边带频谱，基带信号经过IQ 调制器实现了频谱的搬移，图2分别给出了调制器两个支路上的频谱变换情况，最终经过合路器合路后，下边带分量相互抵消，只剩下上边带分量。

图1. 载波信号的傅里叶变换(双边带频谱)

图2. IQ 调制过程频谱变换示意图

当A≠±1时，射频信号中同时包含上下边带，定义边带抑制比为：20lg│A+1│/│A-1│ (dB).

如何改善镜频抑制能力呢？

IQ 调制器两个支路的增益不平衡特性已经无法调整，但是可以在基带侧通过调整I 和Q 两路波形的幅度大小改善镜频抑制。矢量信号发生器VSG及任意波信号发生器AWG均提供了IQ Gain Imbalance调整参数，对其进行微调即可改善镜频抑制。

2. IQ 正交性对镜频抑制的影响

正交性包括两个方面：(1) 基带信号I 和Q 之间的正交性；(2) IQ 调制器两个Mixer 的LO 信号之间的正交性。如果正交性不好，当产生无频偏的数字调制信号时会带来调制和解调的误差(EVM、BER 恶化)，另一方面在产生单边带信号时，会恶化镜频抑制特性。

令i(t)=cos(w_bt+ϕ)，q(t)=sinw_bt，则IQ 调制器输出的射频信号为

s(t)=cos(w_bt+ϕ)· cosw_ct - sinw_bt · sinw_ct

积化和差得

s(t)=0.5(1+cosϕ)·cos(w_c+w_b)t-0.5sinϕ·sin(w_c+w_b)t-0.5(1-cosϕ)·cos(w_c-w_b)t+0.5sinϕ·sin(w_c-w_b)t

对于(w_c+w_b)分量，令a=0.5(1+cosϕ)，b=0.5sinϕ，则取θ满足如下关系：

cosθ=a/√( a²+b²)，sinθ=b/√( a²+b²)

类似地，对于(w_c-w_b)分量，令c=0.5(1-cosϕ)，b=0.5sinϕ，则取θ₁满足如下关系：

cosθ₁=c/√(c²+b²)，sinθ₁=b/√(c²+b²)

以上公式代入s(t)，最终可得

s(t)=0.707√(1+cosϕ)·cos[(w_c+w_b)t+θ]+0.707√(1-cosϕ)·cos[(w_c-w_b)t-θ₁]

由正交误差ϕ造成的镜频抑制度为：10lg(1+cosϕ)/(1-cosϕ) (dB).

以上是从基带I 和Q 信号的正交性着手分析对镜频抑制特性的影响，如果基带信号理想正交，而IQ 调制器两个Mixer 的LO 正交性不好，整个推导过程是类似的，此处不再赘述。当然，IQ 调制器的特性已经固定，只能通过调整基带信号的正交性改善镜频抑制能力。

3. IQ 调制器的载波抑制特性

IQ 调制器除了可以抑制镜频外，在数字调制过程中还可以抑制载波。理论上，只要模拟I 和Q 信号中没有DC 分量，而且IQ 调制器是理想的，那么输出的射频宽带信号中将没有载波。但是实际产生的宽带信号总是具有一定的载波泄露，来源于两部分：(1) IQ 信号中包含一定的DC 分量；(2) IQ 调制器中Mixer 的LO 泄露。

对于数字调制信号而言，载波泄露是一种带内干扰，如果载波分量较强，将直接影响整个系统的通信质量。因此，要尽量降低载波泄露。通常在基带侧微调I Offset 或者Q Offset 来改善载波抑制特性，这相当于引入DC 分量，如果设置的DC 的量和极性合适，I 和Q 两路引起的载波泄露将相互抵消，甚至可以抵消Mixer 的LO 泄露带来的影响。

以上介绍了IQ 调制器的镜频抑制及载波抑制特性，这些都是IQ 调制器固有的特性，也是性能验证测试中必测的项目。此外，IQ 调制器还有幅频响应、三阶交调等参数，这些也都是需要测试的。不同的测试项目需要不同的测试设备和测试方法，这将是后面要介绍的内容……

由于作者水平有限，文中的内容和理解难免有疏漏，欢迎大家批评指正~

文章来源：射频微波测试