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Grundkenntnisse und Testdetails zum IQ-Quadraturmodulator

Erscheinungsdatum: 2021Quelle des Autors: KinghelmAufrufe: 855


1. Zusammenfassung

In den letzten Jahren hat sich die mobile Kommunikation in China rasant entwickelt und populär gemacht, und auch die Sender- und Empfängertechnologie der drahtlosen Kommunikation hat sich rasant weiterentwickelt. Die Hauptfunktion des HF-Senders besteht darin, Basisbandsignalmodulation, Aufwärtskonvertierung und Leistungsverstärkung zu realisieren. Im Vergleich zum Aufbau des Empfängers ist der Aufbau des Senders relativ einfach. Normalerweise:

· Direkte Aufwärtskonvertierung (auch bekannt als Null-IF-Modulation)
· Indirekte Aufwärtskonvertierung (auch bekannt als zweistufige Frequenzkonvertierung oder Superheterodyn-Typ)
· Digitaler ZF-Sender

Die Struktur einer standardmäßigen IQ-Quadraturmodulationsschaltung ist sehr einfach. Sie ist in einen IQ-Basisbandgenerator und einen IQ-Mischer unterteilt. Ob Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation oder Phasenmodulation, sie kann nur durch Ändern verschiedener IQ-Basisbandsignale realisiert werden. Die Funktion des IQ-Modulators besteht darin, das Basisband-IQ-Signal auf den Träger zu verschieben. Quadraturmodulatoren können normalerweise eine hohe Phasengenauigkeit und Amplitudenbalance erreichen und eignen sich sehr gut für die direkte Aufwärtskonvertierung (Null-bei-Modulation) in Kommunikationssystemen. Daher wird er häufig in Sendern mit direkter Aufwärtskonvertierung verwendet, wie z. B. in der Mobilfunkkommunikation, WLAN, UWB-Superkommunikationssystemen, Bluetooth, GPS und andere Systeme. Es ist ein Schlüsselelement in modernen drahtlosen Kommunikationssystemen.

Das Blockdiagramm des Quadraturmodulators ist in Abbildung 1 unten dargestellt. Wenn es für einen Sender mit direkter Aufwärtskonvertierung verwendet wird, kann der zweite LO, wenn Filter und Mischer weggelassen werden, die Struktur des Sendersystems vereinfachen und so die Kosten, das Volumen und den Stromverbrauch reduzieren.


Abbildung 1 Prinzipielles Blockdiagramm des Quadraturmodulators


Die inhärenten Nachteile des Quadraturmodulators sind LO-Leckage und Seitenbandunterdrückung (LO-Leckage wird hauptsächlich durch die Gleichstromvorspannung des IQ-Signals, das Ungleichgewicht des IQ-Differenzsignals und einen schlechten Isolationsindex von Lo und RF verursacht). Im Idealfall bewegt und überlagert der Quadraturmodulator nur das Basisbandspektrum und führt nicht zu einer Ausbreitung des Spektrums außerhalb des Bandes oder einer Verzerrung des Signals innerhalb des Bandes. Der Quadraturmodulator weist unweigerlich nicht ideale Faktoren auf, was zu verschiedenen Verzerrungen des Ausgangssignals führt und die Kommunikationsqualität beeinträchtigt. Daher muss die HF-Leistung des Quadraturmodulators in allen Aspekten getestet werden.

Das Einseitenband-CW-Signal wird im Allgemeinen zum Testen der Bildunterdrückung des IQ-Modulators verwendet, und das Eingangssignal I ist sin ω 0t. Das Q-Signal: cos ⁡ ω 0t wird mit dem orthogonalen lokalen Oszillator gemischt, um das Modulationssignal s (T) zu erhalten. , wobei ω 0 im Allgemeinen ein Wobbelsignal ist, beginnend von nahe Gleichstrom bis hin zu mehreren zehn oder hundert Megabyte:

  s(t)=sinω0t∙cosωct-cosω0t∙ sinωc t
     =sin⁡(ωc0 )t

Wenn der IQ-Modulator vollständig ideal ist, wird er nur( ω c- ω 0) ein Einseitenbandsignal (Einseitenband-CW-Signal) erzeugen, aber aufgrund der Nichtidealität des Modulators auch( ω c+ ω Ein Spiegelsignal wird bei 0 erzeugt). Gleichzeitig weist die Position des Lokaloszillators ω C auch ein Signal auf, das als LO-Leckage bezeichnet wird. Die Unterdrückung des lokalen Oszillator- und Spiegelsignals ist ein wichtiger Index des IQ-Modulators. Abb. 2 ist das Einseitenband-CW-Ausgangsergebnis eines typischen IQ-Modulators. Der Träger beträgt 10 g, das IQ-Signal beträgt 30 MHz und die Unterdrückung des Spiegelsignals beträgt 42 dB. Zu diesem Zeitpunkt wird der Arbiträrwellenformgenerator verwendet, um zwei Kanäle mit 30-MHz-Sin- und COS-Signalen zu erzeugen, die jeweils dem IQ-Modulator als Basisbandeingang bereitgestellt werden. Die beiden Kanäle des Vektornetzwerks mit Dual-Source-Option können auch zur Ausgabe von CW-Dauerwellen mit einer konstanten Phasendifferenz von 90 Grad genutzt werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Vektornetzwerks besteht darin, dass der lokale Oszillator und das Bildunterdrückungssystem im Sweep-Modus getestet werden können.


Abbildung 2 Der Spektrumanalysator testet die IQ-Modulation der Vektorsignalquelle


2. Testaufgabe

Der in diesem Artikel verwendete Quadraturmodulator ist adl5371 von Analog Devices. Sein Arbeitsfrequenzbereich beträgt 500 MHz ~ 1.5 GHz. Wie in Abbildung 3 unten dargestellt, sind die I+-, I--, q+- und q-Anschlüsse des Geräts jeweils IQ-Dual-Differenzial-Basisband-Eingänge, und lo ist ein Single-Ended-Lo-Eingang (loin ist mit der passenden Last verbunden). Der Basisbandeingang erfordert eine Vorspannung von 500 mV. Der HF-Ausgang Vout ist Single-Ended 50 Ω.


Abbildung 3 Quadraturmodulator adl5371-Pin (links) und adl5371-Evaluierungsplatine


Während des Tests muss die Evaluierungsplatine des adl5371 einen Single-Ended-Lo von 0 dBm und 900 MHz eingeben. Der Spitze-zu-Spitze-Wert der Sinuswelle des IQ-Dual-Differenzial-Basisbandeingangs beträgt 1.4 V, die Frequenz beträgt 1 MHz und die Vorspannung beträgt 500 mV. Zu den Testgegenständen gehören: Ausgangsleistung; Ausgang 1 dB Kompressionspunkt; Trägerdurchführung; Seitenbandunterdrückung; Quadraturphasenfehler; Ungleichgewicht der IQ-Amplitude; Unterdrückung der zweiten und dritten Harmonischen; TOI; Basisband-zu-HF-Amplitudenfrequenzgang.

3. Testplattform

Der Kern der Testplattform besteht aus einer Vektorsignalquelle sowie einem Signal- und Spektrumanalysator, wie in der Abbildung unten dargestellt. Es enthält außerdem ein Gleichstromnetzteil und ein Multimeter (Spannungsmessung). Adl5371 ist auf dem Evaluierungsboard Q mod installiert. Die Vektorsignalquelle ist normalerweise mit einem differenziellen IQ-Ausgang ausgestattet, der den Basisband-IQ in Form eines differenziellen Signals über die vier BNC-Anschlüsse auf der Rückseite ausgeben kann.


Abbildung 4 Quadraturmodulator-Testplattform


4. Testergebnis

4.1 Grundeinstellung der Signalquelle

Die Signalquelleneinstellungen der Testelemente in 4.2 bis 4.4 sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Das Basisband erzeugt eine 1-MHz-Sinuswelle, der Basisband-IQ-Ausgang verwendet den Differentialmodus, die Spitzenausgangsspannung beträgt 0.7 V und die IQ-Port-Vorspannung beträgt 500 mV.


Abbildung 5 Grundeinstellung der Signalquelle smu200a


4.2 Ausgangsleistung

Wie aus der Markierung M1 in Abbildung 6 ersichtlich ist, beträgt die Ausgangsleistung 7.86 dBm


Abbildung 6 Ergebnisse des Ausgangsleistungstests


4.3 Lokaloszillatorleckage und Seitenbandunterdrückung, zweite und dritte Harmonische

Aus D3 und D2 in Abbildung 7 ist ersichtlich, dass die Seitenbandunterdrückung – 51.5 dBc und der LO-Leckstrom – 57 dBc beträgt
Gemäß D4 und D1 in Abbildung 7 beträgt der Unterdrückungsgrad der zweiten Harmonischen -72 dB und das Unterdrückungssystem der dritten Harmonischen -53 dB.


Abbildung 7 Ergebnisse des Ausgangsleistungstests, Lokaloszillatorleckage und Seitenbandunterdrückung, Messergebnisse der zweiten und dritten Harmonischen


4.4 1 dB Kompressionspunkt

Erhöhen Sie die Differenz-IQ-Ausgangsspannung in 1-dB-Schritten. Wenn der erhöhte Wert der Ausgangsleistung am Spektrometer weniger als 1 dB beträgt, wird der 1-dB-Kompressionspunkt gemessen. Wie in Abbildung 8 unten dargestellt, beträgt der Ausgangskomprimierungspunkt 13.8 dBm und die entsprechende an der Signalquelle abgelesene Eingangs-IQ-Leistung beträgt 1.567 V.


Abbildung 8 Ergebnisse der 1-dB-Kompressionspunktmessung


4.5 IQ-Amplitudenungleichgewicht und Quadraturphasenfehler

Die Signalquelle erzeugt QPSK mit einer Symbolrate von 1 m und die Einstellung des IQ-Ausgangs ist dieselbe wie bei den vorherigen Testpunkten. Unter Verwendung der Vektorsignalanalyse (VSA)-Demodulation des Spektrometers zeigen die Testergebnisse in Abbildung 9 unten, dass der Quadraturphasenfehler 0.08 Grad und das IQ-Amplitudenungleichgewicht 0.04 dB beträgt.


Abbildung 9 IQ unbefriedigende charakteristische Messergebnisse


4.6 TOI

Die standardmäßige Multiträgerfunktion der Signalquelle erzeugt 3.5-MHz- und 4.5-MHz-Dual-Tone-IQ-Signale. Die IQ-Ausgabeeinstellung ist die gleiche wie bei den vorherigen Testpunkten. Passen Sie die IQ-Eingangsspannung an, bis die Ausgangsleistung des Doppeltonsignals 1.6 dBm erreicht. Unter Verwendung der toi-Funktion des Spektrometers beträgt der gemessene toi 27.7 dBm.


Abbildung 10 Toi-Messergebnisse


4.7 Basisband-zu-HF-Amplitudenfrequenzgang

Für den Amplitudenfrequenzgangtest muss der Basisbandfrequenzversatz durch eine computerprogrammgesteuerte Signalquelle Schritt für Schritt geändert werden, und die Messkurve des Spektrometers übernimmt die maximale Haltefunktion. Wie aus Abb. 11 ersichtlich ist, beträgt der maximale Amplitudenfrequenzgang der Quadraturmodulator-Evaluierungsplatine von 900 MHz bis 940 MHz 7.8 dBm und der minimale Wert 7.1 dBm. Es ist zu beachten, dass es sich bei den oben genannten Ergebnissen der Messung des Amplitudenfrequenzgangs um die Messergebnisse der Evaluierungsplatine adl5371 handelt. Wenn Sie die Bandbreite von 1 dB und 0.1 dB des adl5371-Chips erhalten möchten, müssen Sie die Schaltungseigenschaften der Evaluierungsplatinenschaltung kalibrieren und korrigieren.


Abbildung 11 Die Ergebnisse der Amplitudenfrequenzgangmessung werden mit smu200a (oben) und afq100b (unten) gemessen.


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