基于專(zhuān)用數字上變頻器的中頻調制器

摘要：現代通信系統大部分采用數字中頻調制技術(shù)產(chǎn)生所需要的調制信號，通過(guò)數字技術(shù)可以減小系統的體積、重量、功耗。其中在復雜的數字中頻信號處理系統中，數字上變頻器是產(chǎn)生調制信號的一個(gè)重要環(huán)節。通過(guò)對數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數字上變頻器實(shí)現了常見(jiàn)的幾種碼速率較高的調制波形。
關(guān)鍵詞：數字上變頻器；MSK；BPSK；FPGA

0 引言
根據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)際的工程應用中為了保證信號失真滿(mǎn)足系統基本要求，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，若使系統調制信號達到較高的質(zhì)量則需要8個(gè)離散幅值點(diǎn)。
例如對于載頻為70MHz的數字調制系統，就必須以175～560MHz的信號速率輸出數字波形。若系統中頻定在100MHz就必須以250～800MHz的信號速率輸出幅值。要產(chǎn)生這樣高速率的調制波形，以目前的數字器件的技術(shù)水平存在一定困難，雖然D／A轉換器的速率已經(jīng)達到1GHz以上，但另一個(gè)重要的數字信號處理器部件FPGA，卻很難以這樣的信號速率輸出信號波形所對應的離散幅值點(diǎn)。同時(shí)信號的高速率給FPGA同D／A轉換器之間的信號連接帶來(lái)了困難，為保證信號完整性的同時(shí)盡量減少高速信號帶來(lái)的板內串擾，致使PCB板的設計趨向復雜化。
因此采用內核速率較高的專(zhuān)用調制芯片，使高速信號的產(chǎn)生、處理、控制、傳輸過(guò)程被封閉在單一芯片內完成，回避了由FPGA產(chǎn)生高速數據流帶來(lái)的技術(shù)困難，以及PCB設計的復雜化。ADI公司針對通信市場(chǎng)設計的高速數字上變頻器AD9957是實(shí)現高速數字調制的具有普遍適應性的一款高性能芯片。

1 AD9957數字上變頻器基本技術(shù)特性
1．1 基本技術(shù)指標
AD9957內部集成了大量硬件資源，包括正交數字上變頻器、濾波器、時(shí)鐘倍頻器、D／A轉換器、增益控制器、參數寄存器、波形存儲RAM、SPI接口控制器等?？赏ㄟ^(guò)對其內部信號參數寄存器的配置產(chǎn)生多種復雜波形。AD9957內核基本性能參數如下：
1 GSPS內部時(shí)鐘速率，模擬輸出信號最高頻率為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：正交調制方式；單音頻方式；內插DAC方式。
由上述技術(shù)指標可知產(chǎn)生一個(gè)載頻100 MHz的中頻調制信號，AD9957在最高內核時(shí)鐘的驅動(dòng)下可以實(shí)現每個(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)鍵控波形存儲寄存器，可以通過(guò)控制信號對存儲波形的切換實(shí)現MSK，BPSK QPSK，8P-SK，MFSK等多種高速率的調頻、調相信號。14 b的D／A可實(shí)現84 dB輸出信號動(dòng)態(tài)范圍。在正交調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 正交調制方式工作原理
正交調制方式是AD9957的基本工作方式，如圖1所示。

調制18 b I路(同相路基帶碼流)和18 b Q路(正交路基帶碼流)數據實(shí)時(shí)交替更新，一次內部采樣可將I／Q數據一起提取到內部寄存器。 AD9957內部提供sin和cos的本地數字振蕩器分別同I，Q輸入數據流相乘，產(chǎn)生正交調制數據流之后相加，如下式：

正交數據流在幅度系數控制下，經(jīng)D／A轉換產(chǎn)生模擬信號輸出。通過(guò)正交方式，可以實(shí)現大多數調頻、調相、調幅信號的載波調制。以BPSK(二進(jìn)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應始終為0而同相路基帶碼流應在正的最大值和負的最大值之間變化。當I為+MAX時(shí)sin(ω，t)的相位不變，當I為-MAX時(shí)sin(ωct)的相位反轉了π。
QPSK的產(chǎn)生方法與此類(lèi)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。
正交調制工作模式下AD9957具備產(chǎn)生較復雜的信號的能力。在輸入基帶碼碼速率低于A(yíng)D9957內核時(shí)鐘1／4的前提條件下，可通過(guò)控制I，Q的輸入數據，使輸出中頻信號的頻率和相位任意變化。因此可通過(guò)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(guò)單音頻方式實(shí)現載波調制由于波形參數一次置入很難實(shí)時(shí)修正，因此不具備產(chǎn)生較復雜的信號的能力。