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(hào)，通過(guò)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(hào)處理系統(tǒng)中，數(shù)字上變頻器是產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)數(shù)字中頻上變頻基本原理和技術(shù)特點(diǎn)的研究，采用ADI公司AD9957數(shù)字上變頻器實(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)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(gè)正弦波至少需要2個(gè)點(diǎn)的波形幅度值。但在實(shí)際的工程應(yīng)用中為了保證信號(hào)失真滿足系統(tǒng)基本要求，至少需要2．5個(gè)離散幅值點(diǎn)來(lái)描述一個(gè)周期的正弦波信號(hào)，若使系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)達(dá)到較高的質(zhì)量則需要8個(gè)離散幅值點(diǎn)。
例如對(duì)于載頻為70MHz的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，就必須以175～560MHz的信號(hào)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(hào)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(dá)到1GHz以上，但另一個(gè)重要的數(shù)字信號(hào)處理器部件FPGA，卻很難以這樣的信號(hào)速率輸出信號(hào)波形所對(duì)應(yīng)的離散幅值點(diǎn)。同時(shí)信號(hào)的高速率給FPGA同D／A轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)連接帶來(lái)了困難，為保證信號(hào)完整性的同時(shí)盡量減少高速信號(hào)帶來(lái)的板內(nèi)串?dāng)_，致使PCB板的設(shè)計(jì)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(hào)的產(chǎn)生、處理、控制、傳輸過(guò)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(lái)的技術(shù)困難，以及PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜化。ADI公司針對(duì)通信市場(chǎng)設(shè)計(jì)的高速數(shù)字上變頻器AD9957是實(shí)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(shí)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(chǔ)RAM、SPI接口控制器等。可通過(guò)對(duì)其內(nèi)部信號(hào)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(shí)鐘速率，模擬輸出信號(hào)最高頻率為400 MHz；1 GSPS同步時(shí)鐘，14 b D／A輸出；相位噪聲小于125 dBc／Hz(400 MHz)；8個(gè)可編程鍵控波形存儲(chǔ)寄存器(鍵控幅度、頻率、相位)；正交信號(hào)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(gè)載頻100 MHz的中頻調(diào)制信號(hào)，AD9957在最高內(nèi)核時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)正弦波周期以10個(gè)離散幅度點(diǎn)輸出，超過(guò)高質(zhì)量波形要求的8個(gè)離散幅度點(diǎn)。此外8個(gè)鍵控波形存儲(chǔ)寄存器，可以通過(guò)控制信號(hào)對(duì)存儲(chǔ)波形的切換實(shí)現(xiàn)MSK，BPSK QPSK，8P-SK，MFSK等多種高速率的調(diào)頻、調(diào)相信號(hào)。14 b的D／A可實(shí)現(xiàn)84 dB輸出信號(hào)動(dòng)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(dá)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(shí)時(shí)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?cái)?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(hào)輸出。通過(guò)正交方式，可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅信號(hào)的載波調(diào)制。以BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)信號(hào)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(hào)，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(shí)sin(ω，t)的相位不變，當(dāng)I為-MAX時(shí)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(duì)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(hào)的能力。在輸入基帶碼碼速率低于AD9957內(nèi)核時(shí)鐘1／4的前提條件下，可通過(guò)控制I，Q的輸入數(shù)據(jù)，使輸出中頻信號(hào)的頻率和相位任意變化。因此可通過(guò)對(duì)輸入的基帶碼流做前端濾波處理，使信號(hào)的頻譜特性得到改善。而AD 9957通過(guò)單音頻方式實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制由于波形參數(shù)一次置入很難實(shí)時(shí)修正，因此不具備產(chǎn)生較復(fù)雜的信號(hào)的能力。