影响无线通信系统性能的直流失调电压分析及校准方法
摘要：直流失调电压在无线通信系统中普遍存在，它对无线通信系统接收机和发射机性能造成不同程度的影响。在系统发送端，由于两路正交的I/Q信号通路电路存在直流失调和失配，造成本振信号的泄漏，进而影响发送端EVM及发送信号质量。在接收端，直流失调和失配的存在会造成接收机灵敏度及动态范围的下降，同时接收端直流失调电压还会引入系统二阶失真，从而降低整个系统的线性度及灵敏度。本文分析了直流失调电压产生的机理，并对直流失调和失配对于接收和发送端产生的影响进行详细分析，进而提出了校准无线收发器直流失调电压的方法。
关键词：无线通信，系统性能，直流分析，失调电压，校准方法。
本文源自《电子技术》2019, 48(01): 50-53.《电子技术》是由上海市科学协会主管，上海市电子学会和上海市通信学会主办的技术性月刊，1963年创刊，是中国最早的电子类期刊之一，也是目前国内最具权威性、发行量最大的电子技术月刊。
随着无线通信系统的发展，往往需要集成电路设计具有更高的工作速率、更复杂的调制方式、更高的线性度及更高的灵敏度。接收机和发射机的设计对直流失调电压指标要求也越来越严格。特别是对于通信系统中最常见的多载波OFDM 64QAM或更高的调制信号来说，发送端直流失调电压会严重破坏子载波信号的正交性，而严格的正交是保证OFDM工作性能的主要条件，这就会造成各载波之间严重的码间干扰，发送信号的质量将严重劣化，情况严重时，接收端将无法解调收到的信号。在无线接收端，由于OFDM调制方式导致信号具有大的峰均比，大的直流失调电压会导致峰值电压过早饱和，从而使得接收信号无法达到预期的线性度。本文对当前无线通信系统中直流失调电压来源进行分析，并对直流失调电压信号对收发信号的质量的影响进行详细分析，并给出校准直流失调电压的方法，降低其对系统的影响。
如图1所示，该电路是一个典型的无线收发器框图，接收端信号从天线端经过匹配网络进入接收机后，送入正交I/Q 下变频混频器中，两路正交的I/Q 信号先后经过低通滤波器LPF、可编程放大器VGA和模数转换器ADC处理转换成数字信号，再送入数字基带系统进行解调处理。发送端从数字基带调制获得的两路正交I/Q信号经过数模转换器DAC输出后，再经过I/Q LPF及上变频模块后最终送入功率放大器PA，通过Balun匹配后送入天线实现大功率输出。除了主通路，系统还需要RF PLL及LO buffer给上变频及下变频Mixer提供时钟。
目前，无线接收机主流架构有两种：一种是低中频架构，一种是零中频架构。低中频架构输入RF信号和LO本振信号之间有固定或可编程的小范围频率差，而零中频架构输入的RF信号频率则非常接近或等于LO信号频率。接收机设计中我们一般关注的指标是整个接收机的灵敏度及抗带内和带外信号干扰的能力，同时也关注整个接收机系统的面积及功耗。比较两种架构的直流失调电压DC-offset及低频flicker noise设计要求，低中频架构比零中频架构要求要低，但是即使设计采用低中频架构，DC-offset问题仍然对整个接收机性能产生较大的影响，本文从低中频的架构出发，分析DC Offset对接收机的影响。
在发送端，基带I/Q信号经过数字调制器后送入模拟及射频模块，经过I/Q DAC、LPF送入上变频Mixer中，经过I/Q Mixer上变频处理后，信号相加并通过PA发送到匹配网络及天线端。由于发送通路DAC/LPF/VGA不可避免存在一定的DC Offset误差，另外MIXER的本振LO信号本身也可以通过上变频Mixer泄漏到PA的输出端，造成在PA输出端不仅可以看到我们所需的有用信号，而且也可以看到我们不期望的本振泄漏信号。下面将分别分析无线收发机中直流失调电压的来源，并分析直流失调电压对整个系统的影响，并在最后给出接收端和发射机直流失调电压的校准方法。
1 无线通信系统直流失调电压对系统的影响
1.1 直流失调电压对收发机的影响
一个完整的射频收发电路，对于接收端和发送端关注的指标差别非常大，不同的收发器的架构，不同的调制方式和不同的工作频率及功耗面积要求也对收发器的性能造成影响。对于接收机来说，接收机灵敏度及线性度是两个非常重要的指标，灵敏度表征接收机的噪声性能，而线性度则衡量接收机的动态范围及抗带外干扰的能力。图2即为RX端的无线接收机射频及模拟前端灵敏度及动态范围需求，可以看到影响接收机灵敏度的因素除了本身的噪声之外，为了抗一定的带外干扰，需要给自动增益控制电路(AGC)会预留一定的裕度。
评估接收机的灵敏度一般用下面两个公式来表示，当输入由噪声决定时，接收机的灵敏度一般用式(1)表达，调制方式越复杂，信号带宽越宽，灵敏度越低。
(1)
接收机的灵敏度由接收机噪声系数NF，信号的带宽及接收机解调最低的SNR决定。通信中更多是一个小信号伴随一个大的带外干扰的情况，如图2所示，此时接收的灵敏度除了受噪声影响外，更多的是受接收机的线性度限制。可以用式(2)来表达，其中Pblocker为带外干扰，IIP3则是接收机的输入三阶交调点。
由上面两式可以看出，我们在评估接收机灵敏度时，要综合接收机的噪声系数、线性度、接收机增益及ADC的动态范围。理想情况下，无论接收机采用何种调制方式及通道增益范围是多少，接收机的直流失调电压均不应该对系统性能造成影响，但是实际上，接收机的直流失调电压对接收机灵敏度影响不可忽略。特别是对于灵敏度附近的RF输入信号来讲，由于RF输入信号太小，需要LNA及Mixer及基带VGA提供一定的增益进行放大，然后再通过ADC转换成数字信号。但由于直流失调电压的存在，在放大有用信号的同时，接收机的DC电压也被抬升，压缩了接收通道的动态范围，使得接收机无法达到预期的增益，从而使得RF输入的小信号得不到足够的放大，无法满足系统SNR的要求，导致接收机无法实现正确的解调。
对于发送端，我们更加关注发送信号的质量，比如发送功率，发送线性度，发送的效率及发送端I/Q的失配及本振泄漏。对于不同的调制方式，发送端一般用EVM(误差来衡量幅度)衡量发送端信号的质量。EVM反映了发送端调制频率、相位及幅度误差的综合指标。当发送端存在直流失调电压时，我们也会在EVM星座图中看到直流失调电压对发送信号质量的影响，式(3)为发送端EVM的表达式。由此可见，LO leakage就对应直流失调电压及LO本身泄漏，大的LO leakage会严重影响EVM的输出[1]。
1.2 无线通信系统接收直流失调电压的来源
在接收通道，DC Offset电压主要有两个来源[2]，一个是来自低通滤波器、可编程增益放大器和ADC电路本身，和电路的工艺、采用的架构及电路尺寸均有关系，图3标注的VOS1~4对应LPF输入和VGA输入效果的DC Offset。另外一个是由于Mixer有限的隔离度，本振LO信号也会馈通到LNA的输入端，从而在输入RF信号端也产生一定LO本振信号，该本振信号和无线输入信号一起再和Mixer进行混频时，就会产生一个DC分量。该耦合的DC量会随着天线阻抗和频率以及LNA及Mixer的增益变化而变化。所以该DC Offset量是相对动态变化的。了解了直流失调电压的来源，后面就是详细分析该直流失调电压是如何影响系统接收性能的，并且需要在接收端设计时，予以一定程度的校准，降低其对接收机的影响。
1.3 无线通信系统直流失调电压对RX接收机系统的影响
直流失调电压对接收系统的影响可以从灵敏度及动态范围两个方面来分析[3]，先不考虑外部大的干扰影响，当外部输入的RF信号比较大时，通道的增益比较小，DC Offset被放大倍数很小，对于系统影响是有限的。但是当接收机输入的RF信号很小时，通道增益通过AGC环路不断放大，DC Offset也被不断放大，大的DC Offset则会导致接收通道共模电压被抬升，造成整个接收通道动态范围压缩，导致接收通道无法放大到目标增益。这样RX信号就无法得到足够的SNR，造成接收信号无法正确解调。另外一个方面当接收通道存在大的DC Offset电压失配时，接收通道会产生一个二阶非线性。造成接收端IIP2增大，导致接收机线性度变差。而线性度变差进一步影响整个通道抗干扰能力及接收灵敏度。
图4是当基带差分信号存在直流失调电压时所带来的二阶distortion的影响。
DC Offset对LNA的线性度影响可通过式(4)表达。采用完全匹配的全差分电路，只需要考虑三阶失真影响，由于直流失调电压存在，在输出端不仅会产生一个与电路三阶非线性系数相α3相关的直流量，还会产生一个二阶失真量，这时DC Offset越大，系统二阶失真越差。再考虑实际应用全差分结构也存在一定的失配，当带外存在两个非常接近的干扰信号(Frf1和Frf2时)，系统会产生一个两阶交调量[4]，该交调量的频率为Frf1-Frf2，非常接近DC，会进一步恶化接收线性度和灵敏度。
(4)
1.4 无线通信系统直流失调电压在发送端的来源
发送端的直流失调电压也来自两部分电路，一部分来自发送通道DAC、LPF及上变频电路的直流失调电压，如图5发送端的框图所示，下面的公式推导可以看到当发送通道存在直流失调电压时，会在输出的RF信号看到不期望的本振输出。
发送端的直流失调电压另外一个来源是UP Mixer的本振LO信号，UP Mixer的隔离度有限，这个信号会直接泄放到发送端，并出现在发送的频谱上。这两种DC Offset产生机制都会导致发送端PA的输出频谱质量变差，输出得频谱不仅包含有用信号，还包含不期望的本振泄漏信号，如图6所示。
1.5 无线通信系统直流失调电压对TX发射机的影响
在RF发送通道，上述分析的两种DC Offset来源会造成发送端PA输出存在本振泄漏信号，严重影响发送端EVM及性能。除了EVM变差之外，当发送端存在较大的本振泄漏时，接收端解调时也就会产生大的DC Offset，从而对接收机性能造成影响。图7所示是一个16QAM的EVM波形，如果存在DC Offset，星座图就会偏离理想位置。如果系统SNR不够高，则会导致发送信号质量急剧下降。
2 无线通信系统直流失调电压的校准方法
上面分别分析了无线收发系统中DC Offset的来源及对系统的影响，虽然DC Offset对通信系统接收和发送影响是不同的，但是都需要在电路设计时予以考虑并尽可能减小以降低对系统的影响。我们先对接收端的DC Offset进行校准处理，在数字基带中得对应的数字量，并在接收端通过反馈DAC在VGA中进行补偿。将接收端RX DC Offset消除后，再通过RX测量发送端的DC Offset，从而在发送端TX数字部分进行DC Offset的补偿及消除。下面分别进行介绍接收和发送的DC Offset补偿方案。
2.1 接收机直流失调电压的校准
RX通路I/Q的DC Offset可以通过ADC通道的输出得到，由于VGA在接收通道提供比较大的增益，所以必须在VGA的输入级将RX端的DC Offset尽可能地消除掉，以不影响后续ADC的动态范围。RX通道的DC Offset表征了整个接收通道的DC Offset。在进行接收端DC Offset cancellation时，接收端产生一个本振激励信号，该信号经过接收通道后，通过ADC得到数字信号。该数字信号对应接收通道的DC Offset。为了消除接收通道的DC Offset, 采用6bit的 DAC 将DC Offset对应得数字信号转换成模拟信号，并输入到VGA辅助通路的gm cell中。VGA的输入的主gm cell和辅助通路gm cell的输出实现电流相加，这样当接收通路存在DC Offset时，可以通过辅助gm cell进行一定程度的抵消。DC Offset消除的精度和DAC的精度及主gm cell和辅助gm cell的匹配相关。这样我们就通过反馈DAC就进一步降低了整个RX通道DC Offset电压。从而保证整个接收通道能够达到预期的增益，且不影响ADC的动态范围，提升了整个系统的性能。图8为RX端DC校准的实现框图
2.2 发送端直流失调电压的校准
发送端的LO DC Offset校准可以在发送的数字域完成。为了在发送端数字域进行校准，需要首先测量中发送端直流失调电压的值，测量直流失调电压精度一定程度上决定了DC Offset校准及补偿的精度。发送端DC Offset测量的实现方案如图9所示，上变频之后的发送信号通过自混频实现平方功能，经过RC filter后滤除其中的高频成分，再经过单通道ADC转换成数字信号。整个转换过程的输出频谱如图10所示。
其中TX发送端输出波形的ωLO+ωBB为有用信号，ωLO-ωBB为镜像信号，ωLO为本振泄漏信号。经过平方、滤波及ADC转换后，ωBB和2ωLO分别对应直流失调电压即DC Offset信号和镜像信号。ADC后得到的DC 数字信号就对应发送端的直流失调电压。这样就可以在发送端数字信号中加入经过测量的DC Offset补偿信号，从而实现了发送端的失调电压校准。这个校准过程一般在系统开机启动阶段进行。在正常工作模式时，直流失调校准补偿信号已经加载在发送端的数字信号中了。
3 结语
本文通过分析无线收发器中的直流失调电压来源问题，给出了直流失调电压对整个收发系统的影响同时进行了系统分析，通过采用检测和校准一定程度上降低了直流失调电压对收发系统的影响，通过该方法可对不同调制方式的收发器进行优化处理，从而保证了整个接收的灵敏度和线性度，保证了发送端信号的质量，从而保证整个系统的性能。
参考文献
[1] Advances in Analog and RF IC Design for Wireless Communication Systems[J].Gabriele Manganaro Domne Leenaerts,2013.
[2] I.Elahi,K.Muhammad,P.T.Balsara.IIP2 and DC offsets in the presence of leakage at LO frequency[J].IEEE trans.Circuits Syst.II,2006,53(8):647-651.
[3] Wireless LAN Radios:System Definition to Transistor Design[M].Arya Behzad.
[4] D.Saffar,N.Boulejfen,F.M.Ghannouchi,M. Helaoui,A.Gharssalah.A compound structure and a single‐step identification procedure for I/Q and DC offset impairments and nonlinear distortion modeling and compensation in wireless transmitters[J].International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering,2013,23(3).