IQ Offset之工厂实例分析
有个产品 其方块图如下:
FEM全名为Front End Module
详情可参照这篇 [1]
WIFI前端模块的解析
这边就不赘述
而在工厂大量生产时 有一块板子
其Chain1的EVM Fail 分析Log后
发现其IQ Offset的值 比Chain2/Chain3/Chain4
还要来得差
请问 问题是出在收发器? 还是前端模块?
答案是: 两者都有可能
Rohde & Schwarz的仪器 将这项指标 以IQ Offset称呼
Keysight的仪器 也以IQ Offset来称呼
但LitePoint的仪器 则是以LO Leakage称呼
- IQ Offset
- Carrier Leakage/Feedthrough
- LO Leakage/Feedthrough
- DC Offset
这几种名称 指的都是同一个现象
以星座图的角度 其信号的调变 整体偏移 远离了正常位置
而以频谱角度 则是信号顶端 会有一根类似避雷针的噪声
因此由下图可以看到 当信号的调变 整体偏移 远离了正常位置时
(正常位置为红点)
其避雷针现象就出现了
偏移量越多 避雷针越高
但是当信号的调变 整体几乎无偏移 处在正常位置时
其避雷针 几乎不存在
计算公式如下 单位为dB:
因此显而易见 该指标肯定是越小越好 代表偏移量越少
一般而言 如果要有良好的调变精确度 至少要小于-25 dB
同时也发现 当偏移量不变时 信号功率越小 该指标会越差
该避雷针 可能是直流信号
(所以才叫DC Offset)
也可能是本地震荡器信号
(所以才叫LO Leakage)
接着我们谈谈成因
直流信号 会发生在两处
一处是基频 一处是射频
我们先谈基频
主要是发生在IQ信号上[3]
而在零中频的发射机架构中，若I/Q讯号有直流信号，同样也会与本地震荡器混波，直接升频为射频讯号
导致直流信号 与射频信号 迭加在一起 造成前述的避雷针现象
因此 由下述公式可知 倘若IQ信号上无直流信号
其避雷针是不该存在的
那么 要如何消除 IQ信号上的直流信号呢?
首先 以电容隔直 是不可行的
因为基频信号极为低频 如果用电容隔直
固然可以隔绝直流信号 但也会一并隔绝基频信号
所以不可行
也因此 IQ信号上的直流信号
多半都会以额外的校正电路 搭配算法
透过校准滤除
而直流讯号 除了会产生在基频讯号处
也会产生在射频信号处 主要是来自本地震荡器
由于混波器有限的隔离度，以至于本地震荡器的信号 有可能会泄漏
如果泄漏到基频端口 则会产生自我混波
也就是
LO – LO = 0Hz (直流信号)
然后该直流信号 跟着基频 一同升频为射频信号
形成前述的避雷针现象
如果泄漏到射频端口 因为本地震荡器的信号频率 与射频信号频率 几乎一样
因此在频谱上会迭加 形成前述的避雷针现象
也因为频率几乎一样 所以也必须倚赖额外的校正电路 搭配算法
透过校准滤除
例如Broadcom的BCM4356，就内建了LO feedthrough (LOFT)的校正电路
因此 由上述分析可知 避雷针的来源
- IQ信号上的直流信号
- 本地震荡器由于自我混波 产生的直流信号
- 本地震荡器 直接泄漏到射频信号
以上动作 不论基频或射频
都是在收发器内完成
因此 倘若IQ Offset特别差 当然问题有可能是出在收发器
而射频信号中 混杂了直流信号
会造成性能劣化
以OFDM信号 (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)为例
直流信号的子载波 与信号的子载波 并未正交[5]
因此会干扰邻近的信号子载波 进而使调变精确度下降 IQ Offset变大 EVM变差
因此前端模块的射频信号端口
多半外部会添加串联电容 充当DC Block
以隔绝直流信号进入功放
既然IQ上的直流讯号 与本地震荡器在混波器射频端口的泄漏
可以透过校准来滤除
而本地震荡器在混波器基频端口的泄漏 透过自我混波 产生的直流信号 可以靠外部串联电容来隔绝
换言之 射频信号进前端模块前 照理说 已无直流信号
又为何前端模块 也会成为IQ Offset的问题所在呢?
答案是 单靠串联电容 隔直的效果有限
以下图为例 除了外部串联电容
前端模块内部 还内建了落地电感
这两个组件 都有滤除直流信号的作用
我们针对其直流信号滤除能力 做一次仿真
可以发现 其隔直的效果
(电容 + 电感) > 电感 > 电容
以容抗公式而言
理论上 电容对于直流讯号 其阻抗为无限大
换言之 其隔直效果 也应该要为无限大才是
但真实世界中 其隔直的效果 却反而是最差的
还远不如落地电感
(以上仿真皆为真实电感电容模型 非理想模型)
因此 倘若前端模块 接地没接好
或是该落地电感 直接失效
都会导致落地电感 失去滤除直流信号的作用
在这篇文章当中
如何焊铜管 量测射频前端模块
我们得知 由于前端模块内建落地电感之故
所以万用电表 必定量到短路
因此 可以善用这个特性 来判断该落地电感 是否功能良好
当我们接法如上图时
如果确实量到短路 便表示该落地电感 功能良好
反之 若无量到短路 则可判定落地电感 已失去滤除直流信号的作用
导致隔直效果有限 进而损害功放 劣化射频性能 (如EVM)
接着可以进一步 排查是接地没接好 (Soldering issue)
还是真的这颗前端模块的落地电感已失效 (material issue)
参考文献:
[1] WIFI前端模块的解析
[2] IQ Offset (GSM/EDGE/EDGE Evolution)
[3] Sources of Error in IQ Based RF Signal Generation
[4] 如何焊铜管 量测射频前端模块
[5] IQ Offset (LTE)
[6] IQ Offset - Common impairments in coherent transmission systems