用于產生FM的低功耗IQ調制器

作者：Petrus Stroet and Bruce Hemp

在為通信應用生成模擬或數(shù)字FM時，IQ調制器可提供多功能的低功耗解決方案。示例設計將展示如何使用混合信號MCU執(zhí)行相位累加器和正弦/余弦查找表功能。證明了 IQ 調制器精度和線性度的重要性。

應用

FM很有用，因為很容易實現(xiàn)高PA效率。在產品層面，應用可以是無線麥克風、耳機和頭盔無線電以及手持式 2 分頻無線電。

一些數(shù)字FM調制方案是連續(xù)相位頻移鍵控（FSK），GFSK和M-ary FSK。DMR調制標準在商業(yè)2路無線電業(yè)務中很受歡迎，它使用窄帶4FSK，可以按照此處所述生成。1模擬 FM 可以是寬帶 FM 或窄帶 FM （NBFM），如下所述。

為什么要使用 IQ 調制器？

存在許多用于生成FM的經典電路技術，例如在VCO或參考振蕩器或兩者上將調制添加到PLL中。電抗調制是另一種經典方法。這些方法的缺點是，設計變得特定于一個頻段以及該頻段的單個PLL或電抗調制器。例如，K 的變化維科或PLL環(huán)路增益可能有問題。

IQ 調制器方法的優(yōu)點是：

頻率捷變，

固有的面向未來，可適應成為軟件定義無線電 （SDR），

可實現(xiàn)出色的調制精度。

生成模擬調頻

在此 FM 應用中，IQ 調制器用作精確的 360 度相位調制器。由于相位是頻率的時間積分，因此定期更新的相位累加器執(zhí)行時間積分功能。2

如圖1所示，該系統(tǒng)的行為類似于傳統(tǒng)的DDS，其中相位累加器寄存器可以遞增和遞減。3查找表（LUT）包含正弦和余弦函數(shù)，從而在精確相位上生成固定幅度的旋轉矢量。這個復雜的信號由IQ調制器向上轉換，以LO頻率為中心。為實現(xiàn)高調制準確度，LTC5599 和 LTC5589 等 IQ 調制器需要差分基帶驅動，而 LTC6362 可在所需的 V 下輕松提供厘米= 1.4V。DAC重建濾波器對于衰減由于采樣引起的DAC奈奎斯特圖像至關重要。通過選擇無源LC濾波器技術，我們可以潛在地降低通道外本底噪聲。

圖1.使用 IQ 調制器生成 FM。

基本的DDS調諧公式可以應用于此應用。請注意，我們正在合成正或負 ΔF，它表示瞬時頻率偏差：

哪里：

F外= 復數(shù)輸出頻率，Hz?？梢允钦l率或負頻率。

M = 二進制調諧字?？梢允钦龜?shù)或負數(shù)。

RefClk = 累加器更新速率，Hz。

N = 相位累加器的長度，位。

通過代入最大調諧字 M=，計算F外揭示調制器輸出端的最大瞬時頻率偏差。

因為F外在許多FM應用中通常相當?shù)?，例如NBFM系統(tǒng)的5.5 kHz，根據(jù)上面的DDS公式，對RefClk的要求也相應較低。在許多情況下，整個角度調制過程對于在以RefClk速率中斷驅動的混合信號MCU中實現(xiàn)變得切實可行。重要的是，當相位累加器記錄溢出或下溢時，相位環(huán)繞也是如此，保持相位旋轉連續(xù)和無縫。這使得精確的直流耦合 FM 成為可能。

音頻限制和預加重

用于模擬音頻的 FM 發(fā)射器通常采用限幅器，以防止 FM 過度偏離并濺入相鄰通道。精心設計的系統(tǒng)將利用軟限制，以最大限度地減少發(fā)生這種情況時的可聽失真。

如果接收器沒有對高音頻頻率進行去加重，則接收器輸出端的白噪聲將是令人反感的。為了彌補這一點，發(fā)射器通常在較高頻率下利用音頻預加重，以獲得音頻通帶上的凈整體平坦響應。4

由于 IQ 調制器基本上用作精密移相器，因此有兩種基本方法可以實現(xiàn)預加重：

使用相位調制（非 FM）傳輸音頻。這很有效;但是，F(xiàn)M偏差的限制變得稍微復雜一些，因為目標是限制頻率偏移，而不是相位偏移。FM 輸入對于編碼亞可聽 CTCSS 或 DCS 信令仍然很有用。5

在使用 RC 網(wǎng)絡進行 FM 調制之前預先強調音頻。這是一種首選方法，因為偏差限制與頻率無關。

無論選擇哪種方法，對于所需通帶之外的頻率，仍然需要額外的低通和高通音頻濾波。

帶通配置中的FIR濾波器具有完全消除直流頻率誤差的優(yōu)點，否則直流頻率誤差可能會以直流偏移的形式通過ADC。如果需要高中心頻率穩(wěn)定性，這將是一個很好的優(yōu)勢。

智商調節(jié)器損傷的影響

IQ調制器損傷分為兩大類：LO泄漏和鏡像抑制（IR）。

LO泄漏導致FM基帶矢量旋轉偏離中心擺動，產生與偏差和調制速率相關的AM和雜散產物。一般來說，發(fā)生LO泄漏有兩種機制：通過調制器IC傳導，并在IC周圍輻射。整體護盾效果應使后者略低于前者。

鏡像抑制是正交幅度不平衡和正交相位不平衡的函數(shù)。任何一種的退化都會使矢量旋轉翹曲成橢圓形，這也會產生與偏差和速率相關的雜散產物。

IQ 調制器（例如 LTC5589/99）具有用于調零 LO 泄漏和鏡像抑制的配置。為獲得最佳性能，請調整這些寄存器以降低FM失真，并將值保留在非易失性存儲器中。隨后的測試結果將顯示此方法通?？梢詫崿F(xiàn)多少改進。

過大的差分基帶驅動也會產生不需要的輸出雜散產物，通常為3RD順序和更高。RF輸出功率的小幅降低可以大大降低雜散電平，反之亦然。

NBFM的設計示例

對于圖1所示的系統(tǒng)，最大FM偏差計算如下：

一個8位ADC驅動一個單位增益FIR濾波器。二進制輸出范圍= -128 至 +127。

RefClk = ADC 轉換速率 = 相位累加器更新速率

= 196 kHz。

N = 11 位

因此，F(xiàn)M 峰值偏差 =

為了減少相位截斷雜散，所有 11 個累加器位都映射到 LUT 條目，總共有 2，048 個正弦條目，外加 2，048 個余弦條目。每個條目的寬度為8位，與每個DAC的分辨率相匹配。LUT初始化僅發(fā)生一次，在上電時，使用浮點三角函數(shù)，具有適當?shù)目s放和舍入以匹配DAC輸入范圍。同樣，這很容易在混合信號MCU的能力范圍內。

在本例中，11位累加器比ADC和FIR濾波器的8位輸入M長3位。三位是可接受的最小值。對于滿量程輸入轉換，最大相變?yōu)?-128 / （211） = -1/16千循環(huán)，或 -22.5 度。典型的相變會少得多。最好保持最大相變相對較小，以保持IQ軌跡路徑沿恒定功率圓，而不是穿過圓的捷徑。

為了加快構建速度，該項目使用了來自類似項目的基帶差分放大器和DAC重建濾波器，并已在線記錄詳細信息。6每個過濾器為 5 個千階，通帶平坦度<< 0.5dB，同時在奈奎斯特鏡像頻率（190kHz 或更高）下提供至少 35dB 的衰減。

測試結果

上述系統(tǒng)的測試結果（NBFM設計示例）如下所示。IQ 調制器是工廠演示板上的 LTC5599，除多相中心頻率寄存器設置為使用中的 LO 頻率 439.44 MHz 外，所有寄存器均處于默認狀態(tài)。

圖2.FM 調制器的測試設置。

矢量信號分析儀（VSA）是測試調制精度的理想儀器。對于此測試，VSA用于解調IQ調制器輸出，如圖2所示。VSA 處于模擬解調模式，顯示相對于時間的瞬時 FM，或解調 FM 波形的 FFT。

圖3和圖4說明了該設計可能實現(xiàn)的出色線性度。在這兩個圖中，ADC的輸入峰峰值幅度保持不變，我們觀察到輸出調制深度也保持不變。

圖5和圖6說明了在調整調制器寄存器以最小化損傷之前和之后，模擬FM輸出的FFT對于揭示雜散產物至關重要。如前所述，基帶驅動幅度略有減小將減少高階雜散產物。對于許多基本應用，無需調整寄存器。

圖7顯示目前的頻率誤差約為96 Hz。這是由于ADC輸出端的直流失調誤差造成的。在本示例設計中，1 LSB 貢獻 ΔF= 196 kHz / 211= 95.7 Hz. 通過在FIR濾波器中加入高通響應，可以消除失調。該圖還顯示了大約3 Hz rms的總殘余FM，即由于LO的實驗室級信號發(fā)生器。板載單芯片PLL解決方案將展示更多。圖中的噪聲尖峰是隨機出現(xiàn)的，據(jù)信是由于ADC失調略大于1 LSB，但小于2 LSB。

圖8顯示了RF輸出功率和頻譜。射頻輸出功率約為+0.6dBm。平均用于顯示DAC鏡像雜散產物的電平，在本例中約為-70dBc。通過略微增加 RefClk 頻率，可以輕松實現(xiàn)進一步的降低。

圖3.VSA 提供調制器輸出的模擬 FM 解調。用于說明線性度的三角形波形。調頻速率= 400Hz。偏差= ±5.3kHz。

圖4.調制器輸出的另一個VSA解調。FM波形=正弦波，速率= 1kHz，偏差= ±5.3kHz。

圖5.VSA FM 解調后 1kHz 正弦波的 FFT。偏差= 5.3kHz。FFT揭示了在NBFM語音應用中可以聽到的噪聲和失真產物。IQ 調制器增益、LO 泄漏和 IR 寄存器保持出廠默認值。

圖6.VSA FM解調后相同信號的FFT，以及調整調制器LO泄漏和IR寄存器后。帶內音頻雜散下降~15dB。

圖7.使用 VSA 模擬 FM 解調在調制器輸出端測量的殘余 FM 噪聲。還顯示了由于ADC直流偏移引起的約96 Hz頻移。

圖8.來自 IQ 調制器的射頻輸出頻譜。跡線平均= 10有助于顯示DAC鏡像雜散的電平，與載波偏移約±190kHz。

結論

用于模擬 FM 應用的低功耗調制器可實現(xiàn)出色的 FM 調制精度。對于音頻等低帶寬應用，可以使用MCU來計算FM基帶矢量。IQ 調制器內的直流偏移和鏡像抑制寄存器允許進行調整以獲得最佳性能。

審核編輯：郭婷