零中频接收机的第三个痛点--IQ不平衡

在零中频接收机中，接收到的RF信号，在经过射频前端的放大后，则通过正交混频器，下变频至两路正交的基带信号，就是我们平时所听说的I路和Q路信号。

实现这两路信号的正交，通常有两种方式，即对RF信号进行90度相移或者对LO信号进行90度相移，如下图所示。但是因为在射频通路中加入移相操作的话，需要综合考虑很多因素，比如对链路噪声的影响，对链路增益的影响等等，所以一般情况下，使用的是后者，即对LO信号进行90度相移。

I/Q不平衡的来源

IQ不平衡，是指I路和Q路信号的幅度不平衡和相位不平衡。

而这些不平衡，主要来自于两方面，一个是正交LO信号产生过程中带来的幅度和相位不平衡，另一个是来自基带链路本身的幅度和相位不平衡。

一般信号频率越高，引入的相位不平衡就越大，这也是零中频接收机中的IQ不平衡的影响要比超外差接收机中大的多的原因。

如下图所示，假设链路中的delay mismatch都为10ps，则对于5GHz的信号，引入的相位不平衡为18°，而如果频率降到1GHz的话，引入的相位不平衡则降低到3.6°。而且，由于频率越高，芯片内部的器件尺寸也就越小，所以器件之间的不平衡越严重，造成正交LO链路的不平衡也越严重。

另外，两路模拟基带信道中的增益，变化范围可能达到80dB，而且I路和Q路是两个不同的信道，经过不同的器件。通常来说，如果信号通过两个完全不同的信道的话，即使是RFIC内部，也难以实现完美的IQ匹配。而且基带信道中还要实现同步的增益控制，这就又增加了IQ匹配的难度。

IQ不平衡的影响

那IQ信道之间的不平衡，会造成什么影响呢？

假设有一个QPSK的调制信号，如下图所示，该调制信号，经过一个幅度和相位不平衡的正交混频器，然后变频至I路和Q路基带信号。

则变频后的基带信号的表达式，如下式所示。

考虑两种情况，分别是只有幅度不平衡和只有相位不平衡。

由上图可知，I路和Q路信道之间的幅度不平衡和相位不平衡，会造成星座图的失真。

那怎么解决IQ不平衡呢？

答案就是校准。

在有些标准中，要求的相位和增益不平衡指标很严苛，器件和layout本身的原始匹配是不能满足要求的。

所以，在很多高性能的系统中，I路和Q路的幅度和相位不平衡度都要进行校准，可以在开机时，也可以实时。

如下图所示，是开机时校准的一个例子。在开机的时候，给正交混频器的输入端输入一RF单音信号，然后在模拟基带或数字基带处观察基带信号。因为基带信号的频率比较低，所以他们的幅度和相位不平衡都可以准确测量。得到测量结果后，就可以对接收到的信号，在解调前，进行校正。

或者，实时进行校准，如下图所示。在LO和基带通路中，分别插入可调增益和可调相位的部件，然后调节这些器件，直到不平衡足够小。

参考文献：

[1]Qizheng Gu,RF SYSTEM DESIGN OF TRANSCEIVERS FOR WIRELESS COMMUNICATIONS

[2]razavi,射频微电子