[科普] 零中频发射架构的本振泄露校准技术
零中频发射架构的本振泄露校准技术
在现代无线通信系统（如5G NR、Wi-Fi 6/7）中，零中频（Zero-IF） 架构因其集成度高、成本低、易于集成基带算法而成为射频收发机的绝对主流。然而，这一架构有一个著名的“阿喀琉斯之踵”——本振泄露（LO Leakage），尤其是在发射路径。本文将深入探讨其成因、危害，并详细解析通过校准来抑制这一问题的技术原理与流程。
文章目录
- 零中频发射架构的本振泄露校准技术
- 一、什么是发射本振泄露？
- 产生原因
- 二、本振泄露的危害
- 三、校准原理：注入补偿直流
- 四、校准流程
- 五、关键的反馈路径
- 六、挑战与进阶考量
- 总结
一、什么是发射本振泄露？
在理想的零中频发射机中，基带（I/Q）信号直接与同频的本振（LO）信号进行混频，从而将频谱直接上变频到射频（RF）。
其理想的数学表达为：
Srf(t)=I(t)⋅cos(ωlot)−Q(t)⋅sin(ωlot)S_{rf}(t) = I(t) \cdot \cos(\omega_{lo}t) - Q(t) \cdot \sin(\omega_{lo}t) Srf(t)=I(t)⋅cos(ωlot)−Q(t)⋅sin(ωlot)
然而，现实世界的硬件非理想性会导致少量的本振信号直接泄漏到射频输出端，使得实际输出为：
Srf−leaky(t)=[I(t)+DCI]⋅cos(ωlot)−[Q(t)+DCQ]⋅sin(ωlot)S_{rf-leaky}(t) = [I(t) + DC_I] \cdot \cos(\omega_{lo}t) - [Q(t) + DC_Q] \cdot \sin(\omega_{lo}t) Srf−leaky(t)=[I(t)+DCI]⋅cos(ωlot)−[Q(t)+DCQ]⋅sin(ωlot)
其中 DCIDC_IDCI 和 DCQDC_QDCQ 即为I、Q两路上引入的直流偏移（DC Offset）。
产生原因
- 基带电路的直流偏移（DC Offset）：这是最主要原因。数模转换器（DAC）、基带驱动放大器等电路本身固有的直流偏置，会被IQ调制器当作基带信号处理。
- 本振馈通（LO Feedthrough）：本振信号通过芯片衬底或封装的寄生电容直接耦合到RF输出端。
- PCB布局与屏蔽缺陷：不佳的布局和接地会使LO信号发生电磁耦合，串扰到射频通路中。
二、本振泄露的危害
LO泄露绝不是一个可以忽视的小问题，它会带来严重的系统性能劣化：
- 频谱污染：泄漏的LO信号是一个落在信道中心的无用单音（Tone），其能量可能延伸至相邻信道，导致发射频谱无法满足频谱掩模（Spectrum Mask） 的监管要求（如FCC、3GPP）。
- 接收机脱敏：在频分双工（FDD）系统中，强大的发射LO泄漏信号会阻塞或干扰共址的接收机，严重降低接收灵敏度。
- 信号质量下降：LO泄漏在发射星座图上表现为一个固定的偏移，这会直接劣化误差矢量幅度（EVM），增加误码率（BER）。
三、校准原理：注入补偿直流
校准的核心思想非常简单：既然问题主要是由 DCIDC_IDCI 和 DCQDC_QDCQ 引起的，那么我们就在基带数字域人为地注入一个大小相等、极性相反的补偿直流值 DCI−compDC_{I-comp}DCI−comp 和 DCQ−compDC_{Q-comp}DCQ−comp 来将其抵消。
补偿后的RF输出变为：
Srf−calibrated(t)=[I(t)+DCI+DCI−comp]⋅cos(ωlot)−[Q(t)+DCQ+DCQ−comp]⋅sin(ωlot)S_{rf-calibrated}(t) = [I(t) + DC_I + DC_{I-comp}] \cdot \cos(\omega_{lo}t) - [Q(t) + DC_Q + DC_{Q-comp}] \cdot \sin(\omega_{lo}t) Srf−calibrated(t)=[I(t)+DCI+DCI−comp]⋅cos(ωlot)−[Q(t)+DCQ+DCQ−comp]⋅sin(ωlot)
校准的目标就是找到一对最优的 DCI−compDC_{I-comp}DCI−comp 和 DCQ−compDC_{Q-comp}DCQ−comp，使得：
DCI+DCI−comp≈0DCQ+DCQ−comp≈0DC_I + DC_{I-comp} \approx 0 \\ DC_Q + DC_{Q-comp} \approx 0 DCI+DCI−comp≈0DCQ+DCQ−comp≈0
四、校准流程
现代射频收发芯片的LO泄露校准通常是一个自动化的过程，其核心流程如下图所示：
该流程的本质是一个迭代搜索过程，通常采用梯度下降法（Gradient Descent） 或坐标轮换法，通过不断比较功率变化，找到使泄漏功率最小的那组补偿值。
五、关键的反馈路径
如何精确测量泄漏功率是实现校准的关键。主要有三种方式：
| 反馈方式 | 原理 | 优点 | 缺点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 内部功率检测器 | 通过片内耦合器和RMS功率检测器检测RF输出总功率 | 成本低，集成度高，无需外部元件 | 精度较低，无法区分LO泄漏与其他噪声 | 大多数消费电子产品 |
| 外部测试仪器 | 在生产线上，通过测试夹具将RF输出连接到频谱分析仪等精密仪器 | 精度极高，结果可靠 | 只能用于工厂生产，无法在终端用户端使用 | 工厂生产校准 |
| 接收机反馈（闭环校准） | 利用设备自身的接收机链，侦听发射频段的信号，直接测量中心频点功率 | 精度高，可在线实时校准 | 设计复杂，成本高 | 高端FDD设备、基站 |
六、挑战与进阶考量
- 温度与电压漂移：芯片在工作时温度会变化，导致最佳的补偿值发生漂移（Drift）。因此，高级系统会定期（如在业务间歇）在后台触发校准。
- 校准顺序：LO泄漏校准与IQ不平衡校准（Image Rejection Calibration） 会相互影响。标准的做法总是先进行LO泄漏校准，待中心频点“干净”后，再进行IQ正交性校准以抑制镜频。
- 调制下的性能：上述校准是在未调制（CW波）情况下进行的。工程师还需验证在校准后，发射宽带调制信号的EVM和ACLR等指标是否达标。
总结
本振泄露校准是零中频发射机能够从理论走向实践，并最终统治现代射频设计的关键技术之一。它巧妙地通过数字域注入补偿量来抵消模拟域的缺陷，充分体现了软件定义无线电（SDR）的思想。从智能手机到基站，这套自动化的校准流程每天都在无数设备中静默运行，确保着我们无线连接的高速与稳定。
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