影響無線通信系統性能的直流失調電壓分析及校準方法

　　摘要：直流失調電壓在無線通信系統中普遍存在，它對無線通信系統接收機和發射機性能造成不同程度的影響。在系統發送端，由于兩路正交的I/Q信號通路電路存在直流失調和失配，造成本振信號的泄漏，進而影響發送端EVM及發送信號質量。在接收端，直流失調和失配的存在會造成接收機靈敏度及動態范圍的下降，同時接收端直流失調電壓還會引入系統二階失真，從而降低整個系統的線性度及靈敏度。本文分析了直流失調電壓產生的機理，并對直流失調和失配對于接收和發送端產生的影響進行詳細分析，進而提出了校準無線收發器直流失調電壓的方法。

　　關鍵詞：無線通信，系統性能，直流分析，失調電壓，校準方法。

　　本文源自《電子技術》2019, 48(01): 50-53.《電子技術》是由上海市科學協會主管，上海市電子學會和上海市通信學會主辦的技術性月刊，1963年創刊，是中國最早的電子類期刊之一，也是目前國內最具權威性、發行量最大的電子技術月刊。

　　隨著無線通信系統的發展，往往需要集成電路設計具有更高的工作速率、更復雜的調制方式、更高的線性度及更高的靈敏度。接收機和發射機的設計對直流失調電壓指標要求也越來越嚴格。特別是對于通信系統中最常見的多載波OFDM 64QAM或更高的調制信號來說，發送端直流失調電壓會嚴重破壞子載波信號的正交性，而嚴格的正交是保證OFDM工作性能的主要條件，這就會造成各載波之間嚴重的碼間干擾，發送信號的質量將嚴重劣化，情況嚴重時，接收端將無法解調收到的信號。在無線接收端，由于OFDM調制方式導致信號具有大的峰均比，大的直流失調電壓會導致峰值電壓過早飽和，從而使得接收信號無法達到預期的線性度。本文對當前無線通信系統中直流失調電壓來源進行分析，并對直流失調電壓信號對收發信號的質量的影響進行詳細分析，并給出校準直流失調電壓的方法，降低其對系統的影響。

　　如圖1所示，該電路是一個典型的無線收發器框圖，接收端信號從天線端經過匹配網絡進入接收機后，送入正交I/Q 下變頻混頻器中，兩路正交的I/Q 信號先后經過低通濾波器LPF、可編程放大器VGA和模數轉換器ADC處理轉換成數字信號，再送入數字基帶系統進行解調處理。發送端從數字基帶調制獲得的兩路正交I/Q信號經過數模轉換器DAC輸出后，再經過I/Q LPF及上變頻模塊后最終送入功率放大器PA，通過Balun匹配后送入天線實現大功率輸出。除了主通路，系統還需要RF PLL及LO buffer給上變頻及下變頻Mixer提供時鐘。

　　目前，無線接收機主流架構有兩種：一種是低中頻架構，一種是零中頻架構。低中頻架構輸入RF信號和LO本振信號之間有固定或可編程的小范圍頻率差，而零中頻架構輸入的RF信號頻率則非常接近或等于LO信號頻率。接收機設計中我們一般關注的指標是整個接收機的靈敏度及抗帶內和帶外信號干擾的能力，同時也關注整個接收機系統的面積及功耗。比較兩種架構的直流失調電壓DC-offset及低頻flicker noise設計要求，低中頻架構比零中頻架構要求要低，但是即使設計采用低中頻架構，DC-offset問題仍然對整個接收機性能產生較大的影響，本文從低中頻的架構出發，分析DC Offset對接收機的影響。

　　在發送端，基帶I/Q信號經過數字調制器后送入模擬及射頻模塊，經過I/Q DAC、LPF送入上變頻Mixer中，經過I/Q Mixer上變頻處理后，信號相加并通過PA發送到匹配網絡及天線端。由于發送通路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，而且也可以看到我們不期望的本振泄漏信號。下面將分別分析無線收發機中直流失調電壓的來源，并分析直流失調電壓對整個系統的影響，并在最后給出接收端和發射機直流失調電壓的校準方法。

　　1 無線通信系統直流失調電壓對系統的影響

　　1.1 直流失調電壓對收發機的影響

　　一個完整的射頻收發電路，對于接收端和發送端關注的指標差別非常大，不同的收發器的架構，不同的調制方式和不同的工作頻率及功耗面積要求也對收發器的性能造成影響。對于接收機來說，接收機靈敏度及線性度是兩個非常重要的指標，靈敏度表征接收機的噪聲性能，而線性度則衡量接收機的動態范圍及抗帶外干擾的能力。圖2即為RX端的無線接收機射頻及模擬前端靈敏度及動態范圍需求，可以看到影響接收機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，需要給自動增益控制電路(AGC)會預留一定的裕度。

　　評估接收機的靈敏度一般用下面兩個公式來表示，當輸入由噪聲決定時，接收機的靈敏度一般用式(1)表達，調制方式越復雜，信號帶寬越寬，靈敏度越低。

　　(1)

　　接收機的靈敏度由接收機噪聲系數NF，信號的帶寬及接收機解調最低的SNR決定。通信中更多是一個小信號伴隨一個大的帶外干擾的情況，如圖2所示，此時接收的靈敏度除了受噪聲影響外，更多的是受接收機的線性度限制?？梢杂檬?2)來表達，其中Pblocker為帶外干擾，IIP3則是接收機的輸入三階交調點。

　　由上面兩式可以看出，我們在評估接收機靈敏度時，要綜合接收機的噪聲系數、線性度、接收機增益及ADC的動態范圍。理想情況下，無論接收機采用何種調制方式及通道增益范圍是多少，接收機的直流失調電壓均不應該對系統性能造成影響，但是實際上，接收機的直流失調電壓對接收機靈敏度影響不可忽略。特別是對于靈敏度附近的RF輸入信號來講，由于RF輸入信號太小，需要LNA及Mixer及基帶VGA提供一定的增益進行放大，然后再通過ADC轉換成數字信號。但由于直流失調電壓的存在，在放大有用信號的同時，接收機的DC電壓也被抬升，壓縮了接收通道的動態范圍，使得接收機無法達到預期的增益，從而使得RF輸入的小信號得不到足夠的放大，無法滿足系統SNR的要求，導致接收機無法實現正確的解調。

　　對于發送端，我們更加關注發送信號的質量，比如發送功率，發送線性度，發送的效率及發送端I/Q的失配及本振泄漏。對于不同的調制方式，發送端一般用EVM(誤差來衡量幅度)衡量發送端信號的質量。EVM反映了發送端調制頻率、相位及幅度誤差的綜合指標。當發送端存在直流失調電壓時，我們也會在EVM星座圖中看到直流失調電壓對發送信號質量的影響，式(3)為發送端EVM的表達式。由此可見，LO leakage就對應直流失調電壓及LO本身泄漏，大的LO leakage會嚴重影響EVM的輸出[1]。

　　1.2 無線通信系統接收直流失調電壓的來源

　　在接收通道，DC Offset電壓主要有兩個來源[2]，一個是來自低通濾波器、可編程增益放大器和ADC電路本身，和電路的工藝、采用的架構及電路尺寸均有關系，圖3標注的VOS1~4對應LPF輸入和VGA輸入效果的DC Offset。另外一個是由于Mixer有限的隔離度，本振LO信號也會饋通到LNA的輸入端，從而在輸入RF信號端也產生一定LO本振信號，該本振信號和無線輸入信號一起再和Mixer進行混頻時，就會產生一個DC分量。該耦合的DC量會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量是相對動態變化的。了解了直流失調電壓的來源，后面就是詳細分析該直流失調電壓是如何影響系統接收性能的，并且需要在接收端設計時，予以一定程度的校準，降低其對接收機的影響。

　　1.3 無線通信系統直流失調電壓對RX接收機系統的影響

　　直流失調電壓對接收系統的影響可以從靈敏度及動態范圍兩個方面來分析[3]，先不考慮外部大的干擾影響，當外部輸入的RF信號比較大時，通道的增益比較小，DC Offset被放大倍數很小，對于系統影響是有限的。但是當接收機輸入的RF信號很小時，通道增益通過AGC環路不斷放大，DC Offset也被不斷放大，大的DC Offset則會導致接收通道共模電壓被抬升，造成整個接收通道動態范圍壓縮，導致接收通道無法放大到目標增益。這樣RX信號就無法得到足夠的SNR，造成接收信號無法正確解調。另外一個方面當接收通道存在大的DC Offset電壓失配時，接收通道會產生一個二階非線性。造成接收端IIP2增大，導致接收機線性度變差。而線性度變差進一步影響整個通道抗干擾能力及接收靈敏度。

　　圖4是當基帶差分信號存在直流失調電壓時所帶來的二階distortion的影響。

　　DC Offset對LNA的線性度影響可通過式(4)表達。采用完全匹配的全差分電路，只需要考慮三階失真影響，由于直流失調電壓存在，在輸出端不僅會產生一個與電路三階非線性系數相α3相關的直流量，還會產生一個二階失真量，這時DC Offset越大，系統二階失真越差。再考慮實際應用全差分結構也存在一定的失配，當帶外存在兩個非常接近的干擾信號(Frf1和Frf2時)，系統會產生一個兩階交調量[4]，該交調量的頻率為Frf1-Frf2，非常接近DC，會進一步惡化接收線性度和靈敏度。

　　(4)

　　1.4 無線通信系統直流失調電壓在發送端的來源

　　發送端的直流失調電壓也來自兩部分電路，一部分來自發送通道DAC、LPF及上變頻電路的直流失調電壓，如圖5發送端的框圖所示，下面的公式推導可以看到當發送通道存在直流失調電壓時，會在輸出的RF信號看到不期望的本振輸出。

　　發送端的直流失調電壓另外一個來源是UP Mixer的本振LO信號，UP Mixer的隔離度有限，這個信號會直接泄放到發送端，并出現在發送的頻譜上。這兩種DC Offset產生機制都會導致發送端PA的輸出頻譜質量變差，輸出得頻譜不僅包含有用信號，還包含不期望的本振泄漏信號，如圖6所示。

　　1.5 無線通信系統直流失調電壓對TX發射機的影響

　　在RF發送通道，上述分析的兩種DC Offset來源會造成發送端PA輸出存在本振泄漏信號，嚴重影響發送端EVM及性能。除了EVM變差之外，當發送端存在較大的本振泄漏時，接收端解調時也就會產生大的DC Offset，從而對接收機性能造成影響。圖7所示是一個16QAM的EVM波形，如果存在DC Offset，星座圖就會偏離理想位置。如果系統SNR不夠高，則會導致發送信號質量急劇下降。

　　2 無線通信系統直流失調電壓的校準方法

　　上面分別分析了無線收發系統中DC Offset的來源及對系統的影響，雖然DC Offset對通信系統接收和發送影響是不同的，但是都需要在電路設計時予以考慮并盡可能減小以降低對系統的影響。我們先對接收端的DC Offset進行校準處理，在數字基帶中得對應的數字量，并在接收端通過反饋DAC在VGA中進行補償。將接收端RX DC Offset消除后，再通過RX測量發送端的DC Offset，從而在發送端TX數字部分進行DC Offset的補償及消除。下面分別進行介紹接收和發送的DC Offset補償方案。

　　2.1 接收機直流失調電壓的校準

　　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的輸入級將RX端的DC Offset盡可能地消除掉，以不影響后續ADC的動態范圍。RX通道的DC Offset表征了整個接收通道的DC Offset。在進行接收端DC Offset cancellation時，接收端產生一個本振激勵信號，該信號經過接收通道后，通過ADC得到數字信號。該數字信號對應接收通道的DC Offset。為了消除接收通道的DC Offset, 采用6bit的 DAC 將DC Offset對應得數字信號轉換成模擬信號，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的輸出實現電流相加，這樣當接收通路存在DC Offset時，可以通過輔助gm cell進行一定程度的抵消。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。這樣我們就通過反饋DAC就進一步降低了整個RX通道DC Offset電壓。從而保證整個接收通道能夠達到預期的增益，且不影響ADC的動態范圍，提升了整個系統的性能。圖8為RX端DC校準的實現框圖

　　2.2 發送端直流失調電壓的校準

　　發送端的LO DC Offset校準可以在發送的數字域完成。為了在發送端數字域進行校準，需要首先測量中發送端直流失調電壓的值，測量直流失調電壓精度一定程度上決定了DC Offset校準及補償的精度。發送端DC Offset測量的實現方案如圖9所示，上變頻之后的發送信號通過自混頻實現平方功能，經過RC filter后濾除其中的高頻成分，再經過單通道ADC轉換成數字信號。整個轉換過程的輸出頻譜如圖10所示。

　　其中TX發送端輸出波形的ωLO+ωBB為有用信號，ωLO-ωBB為鏡像信號，ωLO為本振泄漏信號。經過平方、濾波及ADC轉換后，ωBB和2ωLO分別對應直流失調電壓即DC Offset信號和鏡像信號。ADC后得到的DC 數字信號就對應發送端的直流失調電壓。這樣就可以在發送端數字信號中加入經過測量的DC Offset補償信號，從而實現了發送端的失調電壓校準。這個校準過程一般在系統開機啟動階段進行。在正常工作模式時，直流失調校準補償信號已經加載在發送端的數字信號中了。

　　3 結語

　　本文通過分析無線收發器中的直流失調電壓來源問題，給出了直流失調電壓對整個收發系統的影響同時進行了系統分析，通過采用檢測和校準一定程度上降低了直流失調電壓對收發系統的影響，通過該方法可對不同調制方式的收發器進行優化處理，從而保證了整個接收的靈敏度和線性度，保證了發送端信號的質量，從而保證整個系統的性能。

　　參考文獻

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