基于專用數(shù)字上變頻器的中頻調制器

摘要：現(xiàn)代通信系統(tǒng)大部分采用數(shù)字中頻調制技術產生所需要的調制信號，通過數(shù)字技術可以減小系統(tǒng)的體積、重量、功耗。其中在復雜的數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)中，數(shù)字上變頻器是產生調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制波形。
關鍵詞：數(shù)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正弦波至少需要2個點的波形幅度值。但在實際的工程應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)調制信號達到較高的質量則需要8個離散幅值點。
例如對于載頻為70MHz的數(shù)字調制系統(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。要產生這樣高速率的調制波形，以目前的數(shù)字器件的技術水平存在一定困難，雖然D／A轉換器的速率已經達到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的離散幅值點。同時信號的高速率給FPGA同D／A轉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用調制芯片，使高速信號的產生、處理、控制、傳輸過程被封閉在單一芯片內完成，回避了由FPGA產生高速數(shù)據流帶來的技術困難，以及PCB設計的復雜化。ADI公司針對通信市場設計的高速數(shù)字上變頻器AD9957是實現(xiàn)高速數(shù)字調制的具有普遍適應性的一款高性能芯片。

1 AD9957數(shù)字上變頻器基本技術特性
1．1 基本技術指標
AD9957內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?？赏ㄟ^對其內部信號參數(shù)寄存器的配置產生多種復雜波形。AD9957內核基本性能參數(shù)如下：
1 GSPS內部時鐘速率，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：正交調制方式；單音頻方式；內插DAC方式。
由上述技術指標可知產生一個載頻100 MHz的中頻調制信號，AD9957在最高內核時鐘的驅動下可以實現(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等多種高速率的調頻、調相信號。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(shù)據實時交替更新，一次內部采樣可將I／Q數(shù)據一起提取到內部寄存器。 AD9957內部提供sin和cos的本地數(shù)字振蕩器分別同I，Q輸入數(shù)據流相乘，產生正交調制數(shù)據流之后相加，如下式：

正交數(shù)據流在幅度系數(shù)控制下，經D／A轉換產生模擬信號輸出。通過正交方式，可以實現(xiàn)大多數(shù)調頻、調相、調幅信號的載波調制。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sin(ω，t)的相位不變，當I為-MAX時sin(ωct)的相位反轉了π。
QPSK的產生方法與此類似，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具備產生較復雜的信號的能力。在輸入基帶碼碼速率低于AD9957內核時鐘1／4的前提條件下，可通過控制I，Q的輸入數(shù)據，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)載波調制由于波形參數(shù)一次置入很難實時修正，因此不具備產生較復雜的信號的能力。