基于AD8346的通用通信信號(hào)發(fā)生器

1 引言
    通信信號(hào)發(fā)生器是電磁環(huán)境仿真模擬、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分，也是通信與通信對(duì)抗系統(tǒng)研究的基本要素。傳統(tǒng)的通信信號(hào)發(fā)生器通常由硬件電路模塊組成。但該通信信號(hào)發(fā)生器存在硬件規(guī)模大、資金投入多、不易擴(kuò)展等缺點(diǎn)；擴(kuò)展系統(tǒng)功能時(shí)，往往只能通過更改硬件電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器升級(jí)，因而傳統(tǒng)通信信號(hào)發(fā)生器無法適用現(xiàn)代系統(tǒng)開發(fā)和電磁環(huán)境構(gòu)建的需求。
    “軟件無線電”利用硬件電路提供信號(hào)的基本通路，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)的收發(fā)功能，同時(shí)可通過更改軟件，少量改動(dòng)硬件電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能擴(kuò)展，這種借鑒“軟件無線電”的設(shè)計(jì)思想，利用軟件設(shè)計(jì)與基本硬件電路相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，為實(shí)現(xiàn)常規(guī)窄帶通信的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)提供一種新思路。

2 通用通信信號(hào)發(fā)生器
    通用通信信號(hào)發(fā)生器通過軟件定義調(diào)制信號(hào)的調(diào)制樣式和調(diào)制參數(shù)，經(jīng)軟件運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)通過硬件電路產(chǎn)生具體的調(diào)制波形。信號(hào)發(fā)生器的“通用性”為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的通用性，硬件系統(tǒng)的通用性和軟件模塊的通
用性。圖l為信號(hào)發(fā)生器的原理框圖。

    話音、圖像、傳真、數(shù)據(jù)等基帶信號(hào)在計(jì)算機(jī)中經(jīng)軟件編程進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，生成相對(duì)一致的數(shù)據(jù)格式，并在控制信號(hào)的作用下發(fā)送至計(jì)算機(jī)端口。計(jì)算機(jī)端口外接信號(hào)發(fā)生及中頻調(diào)制硬件模塊，處理計(jì)算機(jī)端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，生成中頻信號(hào)。中頻模擬信號(hào)再經(jīng)中頻放大，混頻及高頻放大，用射頻調(diào)制信號(hào)發(fā)送。這種射頻調(diào)制信號(hào)包含基帶的話音、圖像、傳真、數(shù)據(jù)等信息，即為通信信號(hào)。
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為生成所需調(diào)制信號(hào)，同時(shí)也要避免大量的電路堆積，應(yīng)用“軟件無線電”的設(shè)計(jì)思想，直接對(duì)包含載頻信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為已調(diào)信號(hào)。但是，對(duì)于包含載頻信息的已調(diào)信號(hào)來說，根據(jù)采樣定理，如果要有效生成已調(diào)信號(hào)，則要求計(jì)算機(jī)總線接口的傳輸速率相當(dāng)大，需要較高的硬件性能，且控制復(fù)雜。

3 正交調(diào)制法的應(yīng)用
    理想情況下，運(yùn)用“軟件無線電”的思想，計(jì)算機(jī)通過運(yùn)算產(chǎn)生任意通信信號(hào)的采樣值，通過D／A轉(zhuǎn)換后生成所需的任意調(diào)制通信信號(hào)。但在通信信號(hào)帶寬較寬的情況下，直接產(chǎn)生射頻信號(hào)所需數(shù)據(jù)量巨大，這是普通計(jì)算機(jī)的主頻、總線傳輸速度與外設(shè)接口的數(shù)據(jù)傳輸速率所不能承擔(dān)的，而且大量高速的數(shù)據(jù)傳輸和控制也增加了相應(yīng)控制電路設(shè)計(jì)成本和難度，因此“軟件無線電“方法在現(xiàn)實(shí)中不可取。大量數(shù)據(jù)的來源是對(duì)載頻信號(hào)的采樣量。而基帶信號(hào)本身的采樣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于載頻信號(hào)采樣量，因此計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)處理。把表征基帶信號(hào)的一些特征通過軟件運(yùn)算生成采樣值，通過D／A轉(zhuǎn)換與載頻結(jié)合就可產(chǎn)生所需的已調(diào)通信信號(hào)，這樣就可避免由于對(duì)載頻信號(hào)采樣而產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的復(fù)雜控制。為此，可采用正交調(diào)制法。
    將正交調(diào)制法運(yùn)用于通用通信信號(hào)發(fā)生器的中頻調(diào)制模塊，設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

    圖中，計(jì)算機(jī)通過軟件計(jì)算生成表征基帶信號(hào)的I、O串行數(shù)據(jù)。由雙通道發(fā)送D／A轉(zhuǎn)換器分離以后的I、Q分別轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，I、Q模擬信號(hào)經(jīng)正交調(diào)制器與本地振蕩器正交相乘生成射頻(中間)信號(hào)，再經(jīng)下變頻生成所需窄帶通信信號(hào)。系統(tǒng)中，雙通道發(fā)送D／A轉(zhuǎn)換選用10位，40 MS／s的雙通道發(fā)射AlD9761。

4 AD8346在通信信號(hào)發(fā)生器中的應(yīng)用
    AD8346用于0．8～2．5 GHz的射頻正交調(diào)制，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)、蜂窩傳輸系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)絡(luò)、OPSK、GMSK、QAM、SSB調(diào)制器、頻率同步等領(lǐng)域。
4．1 AD8346簡(jiǎn)介
    AD8346可調(diào)制的基帶信號(hào)帶寬為直流到70 MHz。單端2．7~5．5 V供電，靜態(tài)工作狀態(tài)下電流值為45 mA，休眠狀態(tài)下電流僅為lμA。該器件具有較高精度，在1．9 GHz時(shí)，正交均方誤差僅為l°，I／Q幅度平衡僅為0．2 dB。其優(yōu)秀的相位精度和幅度平衡特性使其可直接將信號(hào)調(diào)制到射頻。
    從電路功能考慮，AD8346可分為本振接口、混頻器、電壓到電流轉(zhuǎn)換器、差分到單端轉(zhuǎn)換器和偏置電路等部分，其內(nèi)部功能構(gòu)成如圖3所示。

    其中，本地振蕩接口部分通常接收來自LOIN、LOIP輸入端的外接差分輸入，也可由單端驅(qū)動(dòng)。本地振蕩接口部分包括分相器和緩沖放大器。其中，分相器由電阻和電容回路構(gòu)成，將輸入的L0本振信號(hào)分為精確正交的I、Q兩路振蕩信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)正交的混頻器。每個(gè)通路的信號(hào)通過緩沖放大器補(bǔ)償信號(hào)的幅頻衰落并分別通過一個(gè)單相網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)正交精確度。在正交混頻器中，一路振蕩信號(hào)和由IBBP、IBBN饋入的I通道信號(hào)相乘，另一路相差90°的振蕩信號(hào)和由QBBP、QBBN饋入的Q通道信號(hào)相乘。兩個(gè)正交混頻器的輸出則通過差分一單轉(zhuǎn)換器輸出阻抗50 Ω。IBBP、IBBN、QBBP、QBBN的輸入則經(jīng)電壓至電流轉(zhuǎn)換器，將基帶的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，然后送入混頻器。
4．2 AD8346在中頻調(diào)制模塊中的應(yīng)用
    根據(jù)圖2的中頻調(diào)制模塊結(jié)構(gòu)圖，在通用通信信號(hào)發(fā)生器中頻調(diào)制模塊中，雙通道D／A轉(zhuǎn)換器與正交調(diào)制器共同生成射頻信號(hào)。在設(shè)計(jì)中，正交調(diào)制器AD8346與雙通道D／A轉(zhuǎn)換器AD976l相配合能滿足正交調(diào)制的設(shè)計(jì)需求。
    AD976l與AD8346同將計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生的基帶I、O串行數(shù)據(jù)生成中心頻率為周定頻率的射頻調(diào)制信號(hào)，其連接關(guān)系如圖4所示。AD9761在控制數(shù)據(jù)的作用下接收來自計(jì)算機(jī)生成的基帶I、Q串行數(shù)據(jù)，在其內(nèi)部分離I、Q數(shù)據(jù)，使其進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，分別產(chǎn)生I、Q的模擬信號(hào)。其模擬信號(hào)經(jīng)電阻和電容構(gòu)成的交流耦合電路后送入正交調(diào)制器AD8346，在其中與LOIP、LOIN饋入的本振信號(hào)正交相乘，最后將正交相乘后的兩路信號(hào)合成為調(diào)制在本振頻率上的已凋信號(hào)。

    電路中，為減少額外的輸入信號(hào)損耗，直流偏置電路應(yīng)盡可能保證I通道和Q通道的輸入信號(hào)彼此一致，偏置電路的設(shè)置使每一個(gè)通道的偏置電壓約為1．2 V。為此，使用2．43Ω電阻其精度應(yīng)為0．1％或更高，而偏置電路和交流耦合電路的作用可使A：D8346從AD9761獲取2 V峰峰值的差分信號(hào)輸入，基本無電壓損耗。

5 分析討論
    采用圖4電路產(chǎn)生中心頻率固定的射頻信號(hào)，當(dāng)調(diào)整本地振蕩頻率時(shí)，射頻信號(hào)的中心頻率可在O．8～2．5 GHz的范圍變化。AD8346后接下變頻網(wǎng)絡(luò)，通過改變下變頻本振，產(chǎn)生所需的短波和超短波通信信號(hào)，而且易于實(shí)現(xiàn)濾波器特性。
    AD8346與AD9761采用直流耦合的方式連接。通過偏置電路，可使AD8346的輸入幾乎無電壓損耗，并以差分輸入獲得近似于AD9761峰峰值電壓2 V，同時(shí)，也避免引入額外的電壓偏移，對(duì)I和Q通道之間輸入電壓的精度要求不高。但是對(duì)元器件的選擇要求較高，圖中的2．43 kΩ電阻要求有0．1％以上的精度，對(duì)于元器件的選擇要求較嚴(yán)格。
    由于AD9761是模擬和數(shù)字混合電路器件，因此在電路布局時(shí)應(yīng)注意模擬電路地線和數(shù)字電路地線的設(shè)置和連接。一般情況下，模擬電路地線和數(shù)字電路地線應(yīng)盡可能短并設(shè)置為一點(diǎn)連接，避免引入不必要的噪聲而影響模擬電路，降低系統(tǒng)性能。AD8346在通用通信信號(hào)發(fā)生器中可產(chǎn)生常規(guī)的窄帶通信信號(hào)。若要產(chǎn)生擴(kuò)頻等寬帶通信信號(hào)，則需在該電路基礎(chǔ)擴(kuò)展信道編碼的功能。

6 結(jié)語
    通信信號(hào)發(fā)生器是電磁環(huán)境仿真與模擬、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，也是通信與通信對(duì)抗系統(tǒng)研究的基本要素。借鑒“軟件無線電”的設(shè)計(jì)思想，利用軟件生成的數(shù)據(jù)與基本的硬件框架相結(jié)合，通過基本硬件電路在軟件編程的控制下生成所需的常規(guī)窄帶通信信號(hào)是對(duì)通信信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的有益探索。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用正交調(diào)制原理，雙通道D／A轉(zhuǎn)換器與正交調(diào)制器相結(jié)合為信號(hào)發(fā)生器提供核心的硬件框架，體現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器的“通用性”要求。該系統(tǒng)可相應(yīng)的在軟件模塊下產(chǎn)生不同調(diào)制樣式、調(diào)制參數(shù)的通信信號(hào)。