零中頻接收機中IQ不平衡的來源和影響

在零中頻架構的一個痛點----直流偏移和二階失真產物-零中頻接收機的另一個痛點，講了零中頻接收機的兩個痛點。

今天，來講一下第三個，即IQ不平衡。

在零中頻接收機中，接收到的RF信號，在經過射頻前端的放大后，則通過正交混頻器，下變頻至兩路正交的基帶信號，就是我們平時所聽說的I路和Q路信號。

實現這兩路信號的正交，通常有兩種方式，即對RF信號進行90度相移或者對LO信號進行90度相移，如下圖所示。但是因為在射頻通路中加入移相操作的話，需要綜合考慮很多因素，比如對鏈路噪聲的影響，對鏈路增益的影響等等，所以一般情況下，使用的是后者，即對LO信號進行90度相移。

I/Q不平衡的來源

IQ不平衡，是指I路和Q路信號的幅度不平衡和相位不平衡。

而這些不平衡，主要來自于兩方面，一個是正交LO信號產生過程中帶來的幅度和相位不平衡，另一個是來自基帶鏈路本身的幅度和相位不平衡。

一般信號頻率越高，引入的相位不平衡就越大，這也是零中頻接收機中的IQ不平衡的影響要比超外差接收機中大的多的原因。

如下圖所示，假設鏈路中的delay mismatch都為10ps，則對于5GHz的信號，引入的相位不平衡為18°，而如果頻率降到1GHz的話，引入的相位不平衡則降低到3.6°。而且，由于頻率越高，芯片內部的器件尺寸也就越小，所以器件之間的不平衡越嚴重，造成正交LO鏈路的不平衡也越嚴重。

另外，兩路模擬基帶信道中的增益，變化范圍可能達到80dB，而且I路和Q路是兩個不同的信道，經過不同的器件。通常來說，如果信號通過兩個完全不同的信道的話，即使是RFIC內部，也難以實現完美的IQ匹配。而且基帶信道中還要實現同步的增益控制，這就又增加了IQ匹配的難度。

IQ不平衡的影響

那IQ信道之間的不平衡，會造成什么影響呢？

假設有一個QPSK的調制信號，如下圖所示，該調制信號，經過一個幅度和相位不平衡的正交混頻器，然后變頻至I路和Q路基帶信號。

則變頻后的基帶信號的表達式，如下式所示。

考慮兩種情況，分別是只有幅度不平衡和只有相位不平衡。

由上圖可知，I路和Q路信道之間的幅度不平衡和相位不平衡，會造成星座圖的失真。

那怎么解決IQ不平衡呢？

答案就是校準。

在有些標準中，要求的相位和增益不平衡指標很嚴苛，器件和layout本身的原始匹配是不能滿足要求的。

所以，在很多高性能的系統中，I路和Q路的幅度和相位不平衡度都要進行校準，可以在開機時，也可以實時。

如下圖所示，是開機時校準的一個例子。在開機的時候，給正交混頻器的輸入端輸入一RF單音信號，然后在模擬基帶或數字基帶處觀察基帶信號。因為基帶信號的頻率比較低，所以他們的幅度和相位不平衡都可以準確測量。得到測量結果后，就可以對接收到的信號，在解調前，進行校正。

或者，實時進行校準，如下圖所示。在LO和基帶通路中，分別插入可調增益和可調相位的部件，然后調節這些器件，直到不平衡足夠小。

審核編輯：湯梓紅