基于曼彻斯特编码与三倍频器的1位带通ΔΣ调制器输入LSB/USB信号不平衡效应研究

《IEEE Access》：Effect of Input LSB/USB Signal Imbalance on a 1-bit BPDSM Using Manchester Encoding and Tripler

本文针对数字射频发射机在高频段应用时采样频率过高的技术瓶颈，研究了一种采用曼彻斯特编码和频率三倍频器的1位带通ΔΣ调制器架构。通过建立三倍频器的多项式非线性模型，理论分析和实验验证了在饱和区工作时输入LSB/USB信号不平衡对输出5/6次镜像信号的影响规律，并证明通过优化输入不平衡可有效提升目标镜像信号功率，为6GHz频段Wi-Fi等高速无线通信系统提供了低采样频率的硬件实现方案。

　　

随着无线通信技术向5G毫米波和Wi-Fi 6E/7等高频段发展，数字射频发射机面临着严峻的采样频率挑战。传统架构需要采样频率超过12GHz才能生成6GHz信号，这给消费级设备的成本和功耗带来巨大压力。虽然1位ΔΣ调制器通过过采样技术能够用高速1位数模转换器直接生成射频信号，但奈奎斯特频率的限制依然存在。

为解决这一难题，东北大学研究团队创新性地提出将曼彻斯特编码与射频三倍频器相结合的解决方案。如图1所示，该架构通过曼彻斯特编码增强1位带通ΔΣ调制信号的低边带和下边带分量，再利用三倍频器产生5次和6次镜像信号，从而在2GHz采样频率下实现6GHz频段信号生成。然而，由于编码特性和硬件频率响应差异，输入到三倍频器的LSB和USB信号必然存在功率不平衡，这种不平衡在器件饱和工作状态下如何影响目标信号输出效率，成为决定系统性能的关键问题。

研究团队通过功率级数展开建立三倍频器的非线性模型，系统分析了输入不平衡与输出不平衡的数学关系。理论计算表明，当仅考虑三阶非线性时，输出不平衡与输入不平衡保持线性关系。但实际器件在饱和区工作时，高阶非线性项会导致输出不平衡加剧，满足|IMB_out|>|IMB_in|的不等式关系。

通过对商用三倍频器输入输出特性的实测数据拟合，团队分别建立了三阶、五阶和七阶多项式模型。如图8所示，七阶模型能准确描述器件在饱和区的非线性特性。仿真和实验采用1.85GHz采样频率、0.15GHz基频的1位带通ΔΣ调制信号，通过调整LSB和USB信号功率比实现-10dB到10dB的输入不平衡控制。

关键技术方法包括：1）基于曼彻斯特编码的镜像增强技术；2）三倍频器的多项式非线性建模；3）输入LSB/USB功率不平衡控制系统；4）采用商用现货元件构建实验平台验证理论模型。

研究结果显示，当输入功率达到5dBm以上时，三倍频器进入饱和工作区，此时输入不平衡对输出信号的影响显著增强。通过优化输入不平衡，可使目标镜像信号功率提升3dB以上：当以5次镜像为目标信号时，最佳输入不平衡范围为-1.5dB至9.5dB；当以6次镜像为目标时，最佳范围为-9.5dB至1.5dB。

图19的仿真与实测数据表明，随着输入功率增加，输出不平衡度呈现加速增长趋势，与理论预测高度吻合。这种非线性放大效应说明，在高功率工作状态下必须精确控制输入信号平衡度，否则将导致目标信号功率严重劣化。

这项研究首次量化分析了曼彻斯特编码三倍频器架构中的信号不平衡效应，建立了饱和区工作时的非线性模型，证明了通过输入不平衡优化可有效提升系统输出性能。该成果为6GHz频段Wi-Fi接入点等设备提供了一种低复杂度、低成本的数字射频实现方案，对推动高频段无线通信技术商业化具有重要意义。