基于專用數(shù)字上變頻器的中頻調(diào)制器

摘要：現(xiàn)代通信系統(tǒng)大部分采用數(shù)字中頻調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生所需要的調(diào)制信號，通過數(shù)字技術(shù)可以減小系統(tǒng)的體積、重量、功耗。其中在復(fù)雜的數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)中，數(shù)字上變頻器是產(chǎn)生調(diào)制信號的一個重要環(huán)節(jié)。通過對數(shù)字中頻上變頻基本原理和技術(shù)特點的研究，采用ADI公司AD9957數(shù)字上變頻器實現(xiàn)了常見的幾種碼速率較高的調(diào)制波形。
關(guān)鍵詞：數(shù)字上變頻器；MSK；BPSK；FPGA

0 引言
    根據(jù)奈奎斯特以離散量描述一個正弦波至少需要2個點的波形幅度值。但在實際的工程應(yīng)用中為了保證信號失真滿足系統(tǒng)基本要求，至少需要2．5個離散幅值點來描述一個周期的正弦波信號，若使系統(tǒng)調(diào)制信號達到較高的質(zhì)量則需要8個離散幅值點。
    例如對于載頻為70MHz的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，就必須以175～560MHz的信號速率輸出數(shù)字波形。若系統(tǒng)中頻定在100MHz就必須以250～800MHz的信號速率輸出幅值。要產(chǎn)生這樣高速率的調(diào)制波形，以目前的數(shù)字器件的技術(shù)水平存在一定困難，雖然D／A轉(zhuǎn)換器的速率已經(jīng)達到1GHz以上，但另一個重要的數(shù)字信號處理器部件FPGA，卻很難以這樣的信號速率輸出信號波形所對應(yīng)的離散幅值點。同時信號的高速率給FPGA同D／A轉(zhuǎn)換器之間的信號連接帶來了困難，為保證信號完整性的同時盡量減少高速信號帶來的板內(nèi)串?dāng)_，致使PCB板的設(shè)計趨向復(fù)雜化。
    因此采用內(nèi)核速率較高的專用調(diào)制芯片，使高速信號的產(chǎn)生、處理、控制、傳輸過程被封閉在單一芯片內(nèi)完成，回避了由FPGA產(chǎn)生高速數(shù)據(jù)流帶來的技術(shù)困難，以及PCB設(shè)計的復(fù)雜化。ADI公司針對通信市場設(shè)計的高速數(shù)字上變頻器AD9957是實現(xiàn)高速數(shù)字調(diào)制的具有普遍適應(yīng)性的一款高性能芯片。

1 AD9957數(shù)字上變頻器基本技術(shù)特性
1．1 基本技術(shù)指標(biāo)
    AD9957內(nèi)部集成了大量硬件資源，包括正交數(shù)字上變頻器、濾波器、時鐘倍頻器、D／A轉(zhuǎn)換器、增益控制器、參數(shù)寄存器、波形存儲RAM、SPI接口控制器等。可通過對其內(nèi)部信號參數(shù)寄存器的配置產(chǎn)生多種復(fù)雜波形。AD9957內(nèi)核基本性能參數(shù)如下：
    1 GSPS內(nèi)部時鐘速率，模擬輸出信號最高頻率為400 MHz；1 GSPS同步時鐘，14 b D／A輸出；相位噪聲小于125 dBc／Hz(400 MHz)；8個可編程鍵控波形存儲寄存器(鍵控幅度、頻率、相位)；正交信號輸入速率為250 MHz／18 b；三種可編程工作模式：正交調(diào)制方式；單音頻方式；內(nèi)插DAC方式。
    由上述技術(shù)指標(biāo)可知產(chǎn)生一個載頻100 MHz的中頻調(diào)制信號，AD9957在最高內(nèi)核時鐘的驅(qū)動下可以實現(xiàn)每個正弦波周期以10個離散幅度點輸出，超過高質(zhì)量波形要求的8個離散幅度點。此外8個鍵控波形存儲寄存器，可以通過控制信號對存儲波形的切換實現(xiàn)MSK，BPSK QPSK，8P-SK，MFSK等多種高速率的調(diào)頻、調(diào)相信號。14 b的D／A可實現(xiàn)84 dB輸出信號動態(tài)范圍。在正交調(diào)制工作模式下最大基帶碼流的輸入速率可達250 MSPS(I／Q兩路總合)。
1．2 正交調(diào)制方式工作原理
    正交調(diào)制方式是AD9957的基本工作方式，如圖1所示。

    調(diào)制18 b I路(同相路基帶碼流)和18 b Q路(正交路基帶碼流)數(shù)據(jù)實時交替更新，一次內(nèi)部采樣可將I／Q數(shù)據(jù)一起提取到內(nèi)部寄存器。  AD9957內(nèi)部提供sin和cos的本地數(shù)字振蕩器分別同I，Q輸入數(shù)據(jù)流相乘，產(chǎn)生正交調(diào)制數(shù)據(jù)流之后相加，如下式：
   
    正交數(shù)據(jù)流在幅度系數(shù)控制下，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生模擬信號輸出。通過正交方式，可以實現(xiàn)大多數(shù)調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅信號的載波調(diào)制。以BPSK(二進制相移鍵控)信號為例，要使角頻率為ωc載波在輸入碼流的控制下，載波相位在[0，π]之間變化，由上式可知要產(chǎn)生BPSK信號，正交路基帶碼流Q應(yīng)始終為0而同相路基帶碼流應(yīng)在正的最大值和負(fù)的最大值之間變化。當(dāng)I為+MAX時sin(ω，t)的相位不變，當(dāng)I為-MAX時sin(ωct)的相位反轉(zhuǎn)了π。
    QPSK的產(chǎn)生方法與此類似，但正交路基帶碼流不為零。而由I和Q的4種排列組成對應(yīng)4種不同的載波初始相位：I=MAX，Q=0，初始相位為0；I=0，Q=MAX，初始相位為π／2；I=-MAX，Q=0，初始相位為π；I=0，Q=-MAX，初始相位為-π／2。
    正交調(diào)制工作模式下AD9957具備產(chǎn)生較復(fù)雜的信號的能力。在輸入基帶碼碼速率低于AD9957內(nèi)核時鐘1／4的前提條件下，可通過控制I，Q的輸入數(shù)據(jù)，使輸出中頻信號的頻率和相位任意變化。因此可通過對輸入的基帶碼流做前端濾波處理，使信號的頻譜特性得到改善。而AD 9957通過單音頻方式實現(xiàn)載波調(diào)制由于波形參數(shù)一次置入很難實時修正，因此不具備產(chǎn)生較復(fù)雜的信號的能力。
1．3 單音頻方式工作原理
    單音頻工作方式是AD9957通過簡單波形參數(shù)存儲的方法實現(xiàn)信號調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅的工作方式，如圖2所示。

    在單音頻調(diào)制模式下，正交調(diào)制電路被關(guān)閉。用戶可通過SPI總線接口將需要產(chǎn)生的波形參數(shù)包括幅度、相位、頻率輸入內(nèi)部相關(guān)寄存器。最多可存儲8個不同波形。這8個不同波形可通過3根PROFILE(可表示0～7，8個狀態(tài))控制信號線來選擇內(nèi)部對應(yīng)參數(shù)的波形并從D／A模擬輸出。以FSK信號為例：可將兩個不同的載波頻率f1和f2分別量化為頻率調(diào)諧字并從SPI接口輸入到0號和1號PROFILE寄存器(輸入其他PROFILE寄存器亦可，只要波形編碼尋址正確即可)。在進行調(diào)制信號時，通過控制PROFILE信號線進行編碼使其3位二進制碼表示的數(shù)據(jù)在(0，1)之間變化，相應(yīng)D／A輸出的模擬信號波形就會隨著在碼流的控制下在兩個載頻之間變化。
    AD9957內(nèi)部輸出的數(shù)字信號碼流是由相位累加而成，可以在兩個頻率切換時保證載波相位的連續(xù)性，不會因信號相位跳變而使高次諧波分量的幅度提高。
    OSK(幅度鍵控)信號是AD9957在單音頻工作方式下實現(xiàn)載波調(diào)制的重要信號。當(dāng)系統(tǒng)需要以脈沖方式輸出調(diào)制信號時，可以使AD9957工作在OSK有效模式下，這樣調(diào)制信號的輸出幅度會受OSK信號的控制在O和最大值之間變化，使中頻調(diào)制信號以脈沖格式輸出。中頻調(diào)制信號脈沖周期、脈寬和OSK信號一致，但由于芯片內(nèi)部處理延遲，中頻調(diào)制信號輸出會滯后OSK信號幾個微秒(固定值)。

2 通過AD9957產(chǎn)生調(diào)制信號
    MSK和BPSK信號是數(shù)字通信中使用較為廣泛的載波調(diào)制方式。通過AD9957很容易產(chǎn)生這兩種信號波形。
2．1 基于波形參數(shù)控制的MSK調(diào)制
2．1．1 MSK調(diào)制信號特性
    MSK最小頻移鍵控是調(diào)制為0．5且相位連續(xù)的FSK載波調(diào)制信號。其特點如下：
    (1)已調(diào)信號的振幅是恒定的；
    (2)信號的頻偏嚴(yán)格等于±1／4 Ts(Ts是信息碼片寬度)，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)h=(f2-f1)／Ts=1／2；
    (3)以載波相位為基準(zhǔn)的信號相位在一個碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確的線性變化為±π／2；
    (4)在一個碼元期間，信號應(yīng)包括1／4載波周期的整數(shù)倍；
    (5)在碼元轉(zhuǎn)換時刻信號的相位是連續(xù)的(沒有跳變)；
    (6)功率普滾降速度快，帶外輻射較小。
    以中心載頻為63．75 MHz，碼速率為5 Mb／s的MSK調(diào)制信號為例：
    (1)兩個載頻f1=62．5 MHz，f2=65 MHz，其調(diào)制指數(shù)h=(65-62．5)MHz=2．5 MHz=1／2速率。
    (2)在一個碼片周期內(nèi)(200 ns)所包含的中心載頻63．75 MHz的1／4周期個數(shù)P：
    P=0．2／(1／63．75)×(1／4)=51，是整數(shù)，滿足約束條件。
2．1．2 AD9957波形參數(shù)控制產(chǎn)生MSK調(diào)制信號
    在以中心載頻為63．75 MHz，碼速率為5 Mb／s的MSK調(diào)制信號系統(tǒng)中，AD9957可通過控制內(nèi)部寄存器以開關(guān)切換的方式實現(xiàn)上述波形的產(chǎn)生，流程如下：
    (1)內(nèi)核時鐘的產(chǎn)生
    AD9957的內(nèi)核時鐘既可以直接輸入高頻時鐘，也可以通過內(nèi)部倍頻器將外部時鐘倍頻產(chǎn)生，內(nèi)部倍頻器最大倍頻數(shù)為127(7 b)。采用內(nèi)部倍頻方式，時鐘最大輸入頻率為60 MHz。若采用40 MHz外部時鐘，倍頻到1 GHz內(nèi)核時鐘，倍頻寄存器參數(shù)應(yīng)設(shè)定為25。
在實際的工程實踐中發(fā)現(xiàn)用于產(chǎn)生AD9957高頻內(nèi)核時鐘的鎖相環(huán)電路性能較差，會影響系統(tǒng)信號質(zhì)量，因此通過外部高頻時鐘直接輸入作為內(nèi)核時鐘是較好的設(shè)計方案。
    (2)頻率調(diào)諧字的計算
    頻率調(diào)諧字是AD9957在單音頻工作模式下，實現(xiàn)信號調(diào)制的重要參數(shù)。對于中心載頻為63．75 MHz，碼速率為5 Mb／s的MSK調(diào)制系統(tǒng)，假定AD9957的內(nèi)核時鐘為1 GHz，其兩個載頻62．5 MHz和65 MHz的頻率調(diào)諧字(FTW)分別為：
   
    (3)波形參數(shù)的注入與控制
    通過SPI數(shù)據(jù)總線，分別將FTW1和FTW2輸入對應(yīng)寄存器PROFILE0和PROFILE1。系統(tǒng)工作方式設(shè)置成單音頻模式。外部信息碼片(200 ns)通過控制信號線PROFILE[2：0]數(shù)據(jù)線使其狀態(tài)在0，1(PROFILE1，2時鐘為0)變化，從而實現(xiàn)載波62．5 MHz和65 MHz的實時切換產(chǎn)生MSK調(diào)制信號。在脈沖系統(tǒng)中也可以通過將某一個PROFILE寄存器的幅度參數(shù)置為0，來實現(xiàn)脈沖發(fā)射。同樣這樣的脈沖系統(tǒng)也可以采用MSK方式實現(xiàn)。通過波形參數(shù)方式產(chǎn)生MSK調(diào)制信號是AD9957簡單可靠的調(diào)制波形生成方法，通過這種方法同樣也可以實現(xiàn)BPSK，QPSK調(diào)相信號，只不過PRO-FILE控制的參數(shù)由頻率變成了相位。但在單音頻工作方式下通過波形參數(shù)控制方式較難實現(xiàn)對基帶碼流的成形濾波，信號的頻譜特性相對較差。

3 結(jié)論
    通過理論分析和工程實踐，可以得出如下結(jié)論：AD9957是一款性能較好的數(shù)字上變頻器，以該芯片構(gòu)建的載波調(diào)制器具有調(diào)制輸出信號質(zhì)量高、電路功耗低、設(shè)計簡單、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，是降低各類高速軟件無線通信系統(tǒng)的調(diào)制設(shè)備設(shè)計難度以及提高系統(tǒng)性能指標(biāo)的理想數(shù)字化器件。