CC BY
32УДК 621.3.049.774:621.376.9
DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-1-54-63
Исследование методов подавления паразитных составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-квадратурного модулятора
Т.Ю. Крупкина1, В.В. Лосев1, Л.В. Недашковский1'2, Ю.А. Чаплыгин1
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
г. Москва, Россия
2
АО «НИИМА «Прогресс», г. Москва, Россия leo_ned@mail. т
При создании современных беспроводных систем связи широко используются СВЧ-квадратурные модуляторы и демодуляторы. Для обмена информацией без потерь и сбоев важно обеспечивать высокое качество передаваемых сигналов. Наиболее критичными и нежелательными составляющими спектра выходного сигнала СВЧ-квадратурного модулятора являются несущая частота (частота гетеродина) и паразитная боковая составляющая. В работе с помощью компьютерного моделирования выявлены методы подавления паразитных составляющих. Данные методы основаны на минимизации фазового, амплитудного, а также токового разбалансов в различных узлах схемы СВЧ-квадратурного модулятора. Для подавления используются специальные цифроаналоговые преобразователи в совокупности с полифазным фильтром на варикапах, фазосдвигаю-щим блоком, источниками тока. Эффективность этих методов обусловлена достижением в опытных образцах значений подавления паразитных составляющих 50 дБ и более. Установлено, что для подавления паразитной боковой составляющей минимизация фазового разбаланса более эффективна, чем минимизация амплитудного разбаланса. Выявлено, что для регулирования фазового разбаланса эффективна архитектура с использованием фазосдвигающего блока. Полученные результаты могут быть полезны при проектировании высокоточных радиочастотных блоков различного назначения.
Ключевые слова: СВЧ-квадратурный модулятор; подавление несущей частоты; подавление боковой составляющей; СВЧ
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №19-07-00541/20).
Для цитирования: Крупкина Т.Ю., Лосев В.В., Недашковский Л.В., Чаплыгин Ю.А. Исследование методов подавления паразитных составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-квадратурного модулятора // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 1. С. 54-63. Б01: 10.24151/1561-5405-2021-26-1-54-63
© Т.Ю. Крупкина, В.В. Лосев, Л.В. Недашковский, Ю.А. Чаплыгин, 2021
Research of Methods for Suppression of Parasitic Components in RF Quadrature Modulator Output Signal Spectrum
T.Yu. Krupkina1, V. V. Losev1, L. V. Nedashkovskiy1'2, Yu.A. Chaplygin1
1National Research University of Electronic Technology, Moscow,
Russia
2
JSC Progress Microelectronics Research Institute, Moscow, Russia leo_ned@mail.ru
Abstract: The quadrature modulators and demodulators are widely used to create modern wireless communication systems. It is important to ensure high quality of the transmitted signals in order to have the exchange of information without loss or failure. From the point of view of the spectral decomposition of the signal (Fourier series decomposition), the useful component of the spectrum must be much larger than all other components. The carrier (LO frequency and spurious sideband are the most critical and undesirable quadrature modulator output signal spectral components. In the work, in the course of the research using the methods of suppressing the parasitic components, based on minimizing phase, amplitude and current imbalances in various nodes of the quadrature modulator circuit, have been revealed. In order to realize suppression, the special digital-to-analog converters are used in conjunction with a polyphase filter on varicaps, a phase-shifting block and current sources. The effectiveness of these methods is confirmed by the achievement of suppression of parasitic components in prototypes of 50 dB or more. It has been stated that the phase unbalance minimization is more effective than the amplitude unbalance minimization to sideband suppression. It has been revealed that the use of a phase-shifting block is a more suitable architecture to control the phase unbalance. The obtained results can be useful in the design of high-precision radio frequency units for various purposes.
Keywords: RF quadrature modulator; carrier suppression; sideband suppression; RF
Funding: this study has been supported by the Russian Foundation for Basic Research (project No. 19-07-00541/20).
For citation: Krupkina T.Yu., Losev V.V., Nedashkovskiy L.V., Chaplygin Yu.A. Research of methods for suppression of parasitic components in RF quadrature modulator output signal spectrum. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 1, pp. 54-63. DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-1-54-63
Введение. СВЧ-квадратурные модуляторы и демодуляторы, являющиеся ключевыми блоками построения приемо-передающих трактов, представляют собой сложные устройства преобразования аналогового сигнала. Модуляторы налагают сигнал данных на несущую частоту, а демодуляторы выделяют этот сигнал из модулированного сигнала. Вместе с демодуляторами модуляторы применяются в приемо-передающих трактах военной аппаратуры связи, в спутниковой навигации, устройствах радиолокации, аппаратуре радиоэлектронного противодействия, а также в бытовых устройствах сотовой и беспроводной связи. СВЧ-квадратурные модуляторы и демодуляторы имеют два канала - I и Q. Сигнал, модулированный квадратурным способом, несет суммарную
информацию обеих квадратурных составляющих, что является одним из преимуществ таких трактов [1].
Любой реальный аналоговый сигнал есть сумма большого числа гармонических колебаний с разными частотами и разными амплитудами. Для того чтобы модуляторы и демодуляторы работали качественно (информация передавалась без потерь и сбоев), их выходные сигналы должны быть достаточно «чистыми». С точки зрения спектрального разложения сигнала (разложения в ряд Фурье) это означает, что полезная составляющая спектра должна быть много больше всех других составляющих. Если речь идет о качестве квадратурных устройств, то важнейшим аспектом является идентичность I- и ^-каналов LO-тракта (Local Oscillator) по фазе (90°) и амплитуде (например, при n-QAM-модуляции с возрастанием амплитудного и фазового разбаланса возрастает частота появления битовых ошибок). Аналогична ситуация и с квадратурными выходами демодулятора: они должны быть максимально идентичными по тем же параметрам.
Изменение разбаланса фазы (квадратуры) и амплитуды тракта расщепления сигнала гетеродина существенно влияет на подавление паразитной боковой составляющей в спектре выходного сигнала в модуляторах при однополосной модуляции, а также на разбаланс фазы выходных сигналов в демодуляторах. Изменение токов в смесителях, или смещений на базах токозадающих транзисторов, может компенсировать технологический разброс и менять подавление несущей в спектре выходного сигнала в модуляторах при однополосной модуляции, а также менять разбаланс амплитуды выходных сигналов в демодуляторах [2].
Математическое описание. Степень подавления паразитной боковой составляющей SB (Sideband Suppression) - это отношение уровня мощности нижней боковой к уровню мощности верхней боковой [3]. Этот параметр можно оценить выражением
где LSB (Lower Sideband, полезная) и USB (Upper Sideband, паразитная) - частотные составляющие разности гетеродина и информационного сигнала и их суммы соответственно; АА - разбаланс амплитуд; Дф - разбаланс фаз квадратурных составляющих [4].
Для наилучшего подавления паразитных составляющих необходимо обеспечить максимально точную квадратуру сигналов и их идентичность. Таким образом, погрешности коэффициента усиления и фазы сигналов гетеродина являются критическими показателями качества СВЧ-квадратурных модулятора и демодулятора. Хорошие приборы имеют минимальные значения этих параметров, которые не ограничивают показатели подавления боковой составляющей в системе. Даже в хорошо спроектированном квадратурном модуляторе погрешность фазы сигнала гетеродина может ухудшаться из-за наличия в нем составляющих помехи. Значительное влияние на подавление боковой составляющей оказывают два критических параметра сигнала гетеродина -уровень гармоник и скважность. Более того, топология квадратурного расщепителя фазы существенно влияет на качество сигнала гетеродина, поступающего на квадратурный модулятор [5].
При анализе приемо-передающих трактов используется величина, называемая степенью подавления зеркального канала IRR (Image-Rejection Ratio). В случае рассогласования амплитуд ДА и фаз Дф (рад) в цепях квадратурного смесителя
LSB ДА2 - 2ДА cos Дф +1
USB ДА2 + 2ДА cos Дф + Г
IRR
4
(Дф)2 +(ДА)2'
Крайне проблематично добиться степени согласования амплитуд лучше, чем 1 мдБ, и степени согласования фаз лучше 1°, что соответствует подавлению 41 дБ. Требуемое подавление может составлять 80 дБ и более. В этом случае необходимо применять схемы автокалибровки и дополнительной фильтрации [6].
Методы подавления паразитных составляющих. В процессе разработки СВЧ-квадратурных модуляторов и демодуляторов выявлены и исследованы различные методы подавления паразитных составляющих спектра выходного сигнала (рис.1).
Рис.1. Условная классификация методов подавления паразитных составляющих Fig. 1. Conditional classification of methods for the suppression of parasitic components
Наиболее критичными и нежелательными составляющими спектра выходного сигнала СВЧ-квадратурного модулятора являются несущая частота (частота гетеродина) и паразитная боковая составляющая. Приведем более подробно описание методов подавления паразитных составляющих.
Регулирование разбаланса фазы с помощью ПФФ на варикапах (метод 1). В работе [7] описывается полифазный фильтр (ПФФ) с регулируемой фазовой ошибкой на основе варикапов вместо конденсаторов. Возможен вариант использования МОП-транзисторов в качестве резисторов с переменным сопротивлением [8]. Регулировка квадратуры в таком ПФФ проводится путем перестройки рабочей полосы, которая может осуществляться с помощью переменной емкости варикапов. Преимуществами такой архитектуры являются отсутствие потребления (нет узлов питания и земли), простота реализации (используются только пассивные элементы) [9]. К недостаткам можно отнести большие потери, ограниченный диапазон емкостей
варикапов, который ведет к возможности перестройки фазового разбаланса в огр а-ниченном частотном диапазоне, а также неравномерные шаги перестройки ввиду нелинейного характера ВФХ варикапов и сильную зависимость разбаланса от частоты. На рис.2 представлена электрическая схема исследуемого ПФФ.
Рис.2. Электрическая схема ПФФ с варикапами Fig.2. Schematic of the polyphase filter with varicaps
Регулирование разбаланса фазы фазосдвигающим блоком (метод 2). Существует альтернативный способ регулировки фазового разбаланса, описанный в работе [10]. Фазовая ошибка квадратуры может управляться фазовращающим (фазосдвигающим) блоком, следующим за ПФФ. Такой блок (рис.3) представляет собой совокупность усиливающих и суммирующих узлов с перекрестными связями. Фазовый сдвиг может задаваться путем изменения соотношения перекрестно связанных сигналов (баланса дифференциальных пар). Поскольку схема состоит из дифференциальных пар, сигналы усиливаются. Разбаланс фазы мало зависит от частоты. Однако потребление такого блока может составлять от нескольких миллиампер до нескольких десятков миллиампер в зависимости от конфигурации.
Рис.3. Электрическая схема фазосдвигающего блока [10] Fig.3. Schematic of the phase-shifting block [10]
Регулирование разбаланса фазы введением токового разбаланса дифференциальной пары в предусилителе и делителе частоты (метод 3). Регулировка может осуществляться как в дифференциальном усилителе, так и в эмиттерных повторителях. В первом случае изменяются смещения на базах токозадающих транзисторов, во втором - регулируются добавочные токи. Потребление определяется источником тока. Диапазон регулирования небольшой относительно предыдущих методов.
Регулирование амплитудного разбаланса добавлением тока в дифференциальную пару и в выходной каскад тракта (метод 4). Схемотехнически этот метод аналогичен предыдущему. При работе с выходным каскадом необходимо подавать одинаковые токи в его плечи для сохранения фазового разбаланса. Чем большие токи подаются, тем больше амплитуда сигнала.
Регулирование токов в смесителе изменением напряжений на базах токозадающих транзисторов (метод 5). Подстройка токов в смесителях может не только увеличить подавление несущей в спектре выходного сигнала модулятора и регулировать разбаланс амплитуды выходных сигналов в демодуляторах, но и регулировать общий ток потребления, линейность изделий, компенсировать завал их АЧХ и регулировать температурную зависимость.
Проектирование, моделирование и измерения. В ходе разработки СВЧ-квадратурных модуляторов и демодуляторов изучены рассмотренные методы. Их эффективность обусловлена достижением значений подавления паразитных составляющих, равных 50 дБ и более. Выбор конкретного метода зависит от требований к потреблению и значению подавления.
Для обеспечения возможности коррекции с заданной точностью спроектированы специальные ЦАП с управляющими напряжениями или токами. Примеры моделирования подавления паразитных составляющих с использованием методов 1 и 4 представлены на рис.4, метода 5 - на рис.5. С применением методов подавления удалось увеличить подавление паразитной боковой составляющей с 40 до 53 дБм (улучшение на 13 дБ, см. рис.4,б) и подавление несущей с 34 до 63 дБм (улучшение на 29 дБ, см. рис.5,б).
3,0 3,5 3,0
Частота, ГГц Частота, ГГц
и б
Рис.4. Спектральные характеристики выходного сигнала модулятора без корректировки (а)
и с корректировкой (б) параметров LO-тракта Fig.4. The modulator output signal spectra without correction of LO parameters (a), with correction of LO parameters: the suppression of the parasitic side component is improved by 13 dB (b)
3,0
Частота, ГГц
a 6
Рис.5. Спектральные характеристики выходного сигнала модулятора без корректировки (а) и с корректировкой (б) токов в смесителях Fig.5. The modulator output signal spectra without correction of currents in mixers (a), with correction of currents in mixers (b)
В ходе моделирования СВЧ-квадратурных модуляторов с ПФФ на варикапах и с фазосдвигающим блоком проведен сравнительный анализ [11], который показал, что, несмотря на более значительное потребление мощности и более сложную структуру, тракт с фазосдвигающим блоком имеет существенные преимущества. В отличие от архитектуры с ПФФ в архитектуре с фазосдвигающим блоком сигналы усиливаются, разбаланс фазы мало зависит от частоты, обеспечиваются более плавные и равномерные шаги перестройки.
Разработанный тракт с ПФФ на основе варикапов обеспечивает регулировку в диапазоне ±3° на частотах от 1,8 до 6 ГГц (на определенных частотах достигаются и большие значения). Тракт с фазосдвигающим блоком способен регулировать фазовый разбаланс в диапазонах ±2,5, ±4,5, ±6,5 и ±8,5° в зависимости от управляющего кода на входах ЦАП.
По результатам проектирования изготовлены опытные образцы СВЧ-квадратурных модуляторов для измерения электрических характеристик и проверки возможности коррекции подавления паразитных составляющих спектра выходного сигнала. Кристаллы помещены в 32-выводные корпуса типа QFN. Для проведения экспериментальных измерений спроектирована и собрана печатная плата со специальным контактирующим устройством для корпусированных микросхем. Использована следующая аппаратура: векторный генератор сигналов, высокочастотный источник сигнала, программируемый источник питания, анализатор источников сигнала, цифровой осциллограф, анализатор спектра, универсальный цифровой вольтметр, программатор. Измерения подавления паразитных составляющих (измерения мощности выходного сигнала) проведены в соответствии с ГОСТ 20271.1.
Экспериментально установлено, что для подавления паразитной боковой составляющей минимизация фазового разбаланса (методы 1-3) более эффективна, чем минимизация амплитудного разбаланса (метод 4), примерно на 10 дБ; при минимизации фазового разбаланса метод 2 обеспечивает большую точность, равномерность и диапазон перестройки фазы, чем метод 1, а метод 3 является вспомогательным по отношению к первым двум.
Заключение. В ходе разработки СВЧ-квадратурных модуляторов выявлены и исследованы пять методов увеличения подавления паразитных составляющих спектра выходного сигнала. Результаты компьютерного моделирования и измерения образцов показали, что регулировка фазы более эффективна, чем регулировка амплитуды, а регулировка фазы фазосдвигающим блоком более точная и равномерная, чем регулировка ПФФ на варикапах. С помощью описанных методов удалось добиться значения подавления паразитной боковой составляющей 53 дБ и значения подавления несущей частоты 63 дБ.
Литература
1. Pun K.-P., Franca J.E., Azeredo-Leme C. Circuit design for wireless communications. Improved techniques for image rejection in wideband quadrature receivers. Boston; Dordrecht; London: Kluwer Academic Publishers, 2003. 207 p.
2. The development of quadrature modulators and demodulators 1800 Mhz-6 Ghz with digital correction of parameters / R.S. Shabardin, N.V. Shabardina, I.I. Mukhin et al. // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). IEEE, 2019. P. 1612-1615.
3. A D-band 48-Gbit/s 64-QAM/QPSK direct-conversion I/Q transceiver chipset / S. Carpenter, D. Nopchinda, M. Abbasi et al. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. Vol. 64. No. 4. P. 1285-1296.
4. Carpenter S., He Z.S., Zirath H. Multi-functional D-band I/Q modulator/demodulator MMICs in SiGe BiCMOS technology //International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2018. Vol. 10. No. 5-6. P. 596-604.
5. Zhang Y. Wireless transmitter IQ balance and sideband suppression // Analog Devices, AN-1100 Application Note. 2010. P. 1-8.
6. Carpenter S., Abbasi M., Zirath H. Fully integrated D-band direct carrier quadrature (I/Q) modulator and demodulator circuits in InP DHBT technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2015. Vol. 63. No. 5. P. 1666-1675.
7. Sanderson D.I., Svitek R.M., Raman S. A 5-6-GHz polyphase filter with tunable I/Q phase balance // IEEE microwave and wireless components letters. 2004. Vol. 14. No. 7. P. 364-366.
8. Шевцов И.В., Арьков А.В., Плехова М.А. Исследование и проектирование регулируемого полифазного фильтра // Аллея науки. 2017. Т. 1. №. 15. С. 364-371.
9. The design of large image rejection and wideband CMOS active polyphase filter for BeiDou RF receiver / Y. Yin, Y. Ma, S. Kang et al. // IEICE Electronics Express. 2020. Vol. 17. No. 12. P. 1-5.
10. Leifso C., Nisbet J. A monolithic 6 GHz quadrature frequency doubler with adjustable phase offset // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2006. Vol. 41. No. 2. P. 405-412.
11. Недашковский Л.В., Тимошенков В.П., Шабардин Р.С. Сравнение способов регулировки фазового разбаланса тракта гетеродина в квадратурных модуляторах и демодуляторах // Научно-практическая конференция «Интеллектуальные системы и микросистемная техника»: сб. тр. М.: МИЭТ, 2020. С. 143-149.
Поступила в редакцию 28.10.2020 г.; после доработки 28.10.2020 г.; принята к публикации 24.11.2020 г.
Крупкина Татьяна Юрьевна - доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), krupkina@dsd.miee.ru
Лосев Владимир Вячеславович - доктор технических наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), dsd@miee.ru
Недашковский Леонид Владимирович - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), дизайнер СБИС АО «НИИМА «Прогресс» (Россия, 125183, г. Москва, пр-т Черепановых, 54), leo_ned@mail.ru
Чаплыгин Юрий Александрович - академик РАН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой интегральной электроники и микросистем, президент Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), president@miet.ru
References
1. Pun K.-P., Franca J.E., Azeredo-Leme C. Circuit design for wireless communications. Improved Techniques for Image Rejection in Wideband Quadrature Receivers. Boston, Dordrecht, London, Kluwer Academic Publishers, 2003. 207 p.
2. Shabardin R.S, Shabardina N.V., Mukhin I.I., Morozov D.N., Nedashkovskiy L.V. The development of quadrature modulators and demodulators 1800 MHz-6 GHz with digital correction of parameters. Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering ElConRus 2019. 2019, pp. 1612-1615.
3. Carpenter S., Nopchinda D., Abbasi M., He Z. S., Bao M., Eriksson T., Zirath H. A D-band 48-Gbit/s 64-QAM/QPSK direct-conversion I/Q transceiver chipset. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, 2016, vol. 64, iss. 4, pp. 1285-1296.
4. Carpenter S., He Z.S., Zirath H. Multi-functional D-band I/Q modulator/demodulator MMICs in SiGe BiCMOS technology. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2018, vol. 10, ssi. 5-6, pp. 596-604.
5. Zhang Y. Wireless transmitter IQ balance and sideband suppression. Analog Devices, AN-1100 Application Note, 2010, pp. 1-8.
6. Carpenter S., Abbasi M., Zirath H. Fully integrated D-band direct carrier quadrature (I/Q) modulator and demodulator circuits in InP DHBT technology. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2015,vol. 63, iss. 5, pp. 1666-1675.
7. Sanderson D.I., Svitek R.M., Raman S. A 5-6-GHz polyphase filter with tunable I/Q phase balance. IEEE Microwave And Wireless Components Letters, 2004, vol. 14, iss. 7, pp. 364-366.
8. Shevtsov I.V., Ar'kov A.V., Plekhova M.A. Research and design of the regulated polyphase filter. Alleya nauki = Science Alley. 2017, vol. 1, iss. 15, pp. 364-371. (In Russian).
9. Yin, Y., Ma, Y., Kang, S., Guan, H., Jin, G., Qi, X. The design of large image rejection and wideband CMOS active polyphase filter for BeiDou RF receiver. IEICE Electronics Express, 2020, vol. 17, iss. 12, pp. 1-5.
10. Leifso C., Nisbet J. A monolithic 6 GHz quadrature frequency doubler with adjustable phase offset. IEEE journal of solid-state circuits, 2006, vol. 41, iss. 2, pp. 405-412.
11. Nedashkovskiy L.V., Timoshenkov V.P., Shabardin R.S. Comparison of local oscillator path phase imbalance control methods in quadrature modulators and demodulators. Intelligent systems and microsystem technology: collection of works. Moscow, MIET Publ., 2020, pp. 143-149. (In Russian).
Received 28.10.2020; Revised 28.10.2020; Accepted 24.11.2020. Information about the authors:
Tatyana Yu. Krupkina - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Deputy Head of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), krupkina@dsd.miee.ru
Vladimir V. Losev - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), dsd@miee.ru
Leonid V. Nedashkovskiy - PhD student of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), VLSI Designer, JSC Progress Microelectronics Research Institute (Russia, 125183, Moscow, Cherepanovykh Ave., 54), leo_ned@mail.ru
Yuri A. Chaplygin - Correspondent Member of the Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Integrated Electronics and Microsystems Department, President, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), president@miet.ru
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Полные тексты статей журнала с 2009 по 2020 гг. доступны на сайтах Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru и журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»: http://ivuz-e.ru
