基于专用数字上变频器的中频调制器

摘要：现代通信系统大部分采用数字中频调制技术产生所需要的调制信号，通过数字技术可以减小系统的体积、重量、功耗。其中在复杂的数字中频信号处理系统中，数字上变频器是产生调制信号的一个重要环节。通过对数字中频上变频基本原理和技术特点的研究，采用ADI公司AD9957数字上变频器实现了常见的几种码速率较高的调制波形。
关键词：数字上变频器；MSK；BPSK；FPGA

0 引言
    根据奈奎斯特以离散量描述一个正弦波至少需要2个点的波形幅度值。但在实际的工程应用中为了保证信号失真满足系统基本要求，至少需要2．5个离散幅值点来描述一个周期的正弦波信号，若使系统调制信号达到较高的质量则需要8个离散幅值点。
    例如对于载频为70MHz的数字调制系统，就必须以175～560MHz的信号速率输出数字波形。若系统中频定在100MHz就必须以250～800MHz的信号速率输出幅值。要产生这样高速率的调制波形，以目前的数字器件的技术水平存在一定困难，虽然D／A转换器的速率已经达到1GHz以上，但另一个重要的数字信号处理器部件FPGA，却很难以这样的信号速率输出信号波形所对应的离散幅值点。同时信号的高速率给FPGA同D／A转换器之间的信号连接带来了困难，为保证信号完整性的同时尽量减少高速信号带来的板内串扰，致使PCB板的设计趋向复杂化。
    因此采用内核速率较高的专用调制芯片，使高速信号的产生、处理、控制、传输过程被封闭在单一芯片内完成，回避了由FPGA产生高速数据流带来的技术困难，以及PCB设计的复杂化。ADI公司针对通信市场设计的高速数字上变频器AD9957是实现高速数字调制的具有普遍适应性的一款高性能芯片。

1 AD9957数字上变频器基本技术特性
1．1 基本技术指标
    AD9957内部集成了大量硬件资源，包括正交数字上变频器、滤波器、时钟倍频器、D／A转换器、增益控制器、参数寄存器、波形存储RAM、SPI接口控制器等。可通过对其内部信号参数寄存器的配置产生多种复杂波形。AD9957内核基本性能参数如下：
    1 GSPS内部时钟速率，模拟输出信号最高频率为400 MHz；1 GSPS同步时钟，14 b D／A输出；相位噪声小于125 dBc／Hz(400 MHz)；8个可编程键控波形存储寄存器(键控幅度、频率、相位)；正交信号输入速率为250 MHz／18 b；三种可编程工作模式：正交调制方式；单音频方式；内插DAC方式。
    由上述技术指标可知产生一个载频100 MHz的中频调制信号，AD9957在最高内核时钟的驱动下可以实现每个正弦波周期以10个离散幅度点输出，超过高质量波形要求的8个离散幅度点。此外8个键控波形存储寄存器，可以通过控制信号对存储波形的切换实现MSK，BPSK QPSK，8P-SK，MFSK等多种高速率的调频、调相信号。14 b的D／A可实现84 dB输出信号动态范围。在正交调制工作模式下最大基带码流的输入速率可达250 MSPS(I／Q两路总合)。
1．2 正交调制方式工作原理
    正交调制方式是AD9957的基本工作方式，如图1所示。

    调制18 b I路(同相路基带码流)和18 b Q路(正交路基带码流)数据实时交替更新，一次内部采样可将I／Q数据一起提取到内部寄存器。  AD9957内部提供sin和cos的本地数字振荡器分别同I，Q输入数据流相乘，产生正交调制数据流之后相加，如下式：
   
    正交数据流在幅度系数控制下，经D／A转换产生模拟信号输出。通过正交方式，可以实现大多数调频、调相、调幅信号的载波调制。以BPSK(二进制相移键控)信号为例，要使角频率为ωc载波在输入码流的控制下，载波相位在[0，π]之间变化，由上式可知要产生BPSK信号，正交路基带码流Q应始终为0而同相路基带码流应在正的最大值和负的最大值之间变化。当I为+MAX时sin(ω，t)的相位不变，当I为-MAX时sin(ωct)的相位反转了π。
    QPSK的产生方法与此类似，但正交路基带码流不为零。而由I和Q的4种排列组成对应4种不同的载波初始相位：I=MAX，Q=0，初始相位为0；I=0，Q=MAX，初始相位为π／2；I=-MAX，Q=0，初始相位为π；I=0，Q=-MAX，初始相位为-π／2。
    正交调制工作模式下AD9957具备产生较复杂的信号的能力。在输入基带码码速率低于AD9957内核时钟1／4的前提条件下，可通过控制I，Q的输入数据，使输出中频信号的频率和相位任意变化。因此可通过对输入的基带码流做前端滤波处理，使信号的频谱特性得到改善。而AD 9957通过单音频方式实现载波调制由于波形参数一次置入很难实时修正，因此不具备产生较复杂的信号的能力。
1．3 单音频方式工作原理
    单音频工作方式是AD9957通过简单波形参数存储的方法实现信号调频、调相、调幅的工作方式，如图2所示。

    在单音频调制模式下，正交调制电路被关闭。用户可通过SPI总线接口将需要产生的波形参数包括幅度、相位、频率输入内部相关寄存器。最多可存储8个不同波形。这8个不同波形可通过3根PROFILE(可表示0～7，8个状态)控制信号线来选择内部对应参数的波形并从D／A模拟输出。以FSK信号为例：可将两个不同的载波频率f1和f2分别量化为频率调谐字并从SPI接口输入到0号和1号PROFILE寄存器(输入其他PROFILE寄存器亦可，只要波形编码寻址正确即可)。在进行调制信号时，通过控制PROFILE信号线进行编码使其3位二进制码表示的数据在(0，1)之间变化，相应D／A输出的模拟信号波形就会随着在码流的控制下在两个载频之间变化。
    AD9957内部输出的数字信号码流是由相位累加而成，可以在两个频率切换时保证载波相位的连续性，不会因信号相位跳变而使高次谐波分量的幅度提高。
    OSK(幅度键控)信号是AD9957在单音频工作方式下实现载波调制的重要信号。当系统需要以脉冲方式输出调制信号时，可以使AD9957工作在OSK有效模式下，这样调制信号的输出幅度会受OSK信号的控制在O和最大值之间变化，使中频调制信号以脉冲格式输出。中频调制信号脉冲周期、脉宽和OSK信号一致，但由于芯片内部处理延迟，中频调制信号输出会滞后OSK信号几个微秒(固定值)。

2 通过AD9957产生调制信号
    MSK和BPSK信号是数字通信中使用较为广泛的载波调制方式。通过AD9957很容易产生这两种信号波形。
2．1 基于波形参数控制的MSK调制
2．1．1 MSK调制信号特性
    MSK最小频移键控是调制为0．5且相位连续的FSK载波调制信号。其特点如下：
    (1)已调信号的振幅是恒定的；
    (2)信号的频偏严格等于±1／4 Ts(Ts是信息码片宽度)，相应的调制指数h=(f2-f1)／Ts=1／2；
    (3)以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确的线性变化为±π／2；
    (4)在一个码元期间，信号应包括1／4载波周期的整数倍；
    (5)在码元转换时刻信号的相位是连续的(没有跳变)；
    (6)功率普滚降速度快，带外辐射较小。
    以中心载频为63．75 MHz，码速率为5 Mb／s的MSK调制信号为例：
    (1)两个载频f1=62．5 MHz，f2=65 MHz，其调制指数h=(65-62．5)MHz=2．5 MHz=1／2速率。
    (2)在一个码片周期内(200 ns)所包含的中心载频63．75 MHz的1／4周期个数P：
    P=0．2／(1／63．75)×(1／4)=51，是整数，满足约束条件。
2．1．2 AD9957波形参数控制产生MSK调制信号
    在以中心载频为63．75 MHz，码速率为5 Mb／s的MSK调制信号系统中，AD9957可通过控制内部寄存器以开关切换的方式实现上述波形的产生，流程如下：
    (1)内核时钟的产生
    AD9957的内核时钟既可以直接输入高频时钟，也可以通过内部倍频器将外部时钟倍频产生，内部倍频器最大倍频数为127(7 b)。采用内部倍频方式，时钟最大输入频率为60 MHz。若采用40 MHz外部时钟，倍频到1 GHz内核时钟，倍频寄存器参数应设定为25。
在实际的工程实践中发现用于产生AD9957高频内核时钟的锁相环电路性能较差，会影响系统信号质量，因此通过外部高频时钟直接输入作为内核时钟是较好的设计方案。
    (2)频率调谐字的计算
    频率调谐字是AD9957在单音频工作模式下，实现信号调制的重要参数。对于中心载频为63．75 MHz，码速率为5 Mb／s的MSK调制系统，假定AD9957的内核时钟为1 GHz，其两个载频62．5 MHz和65 MHz的频率调谐字(FTW)分别为：
   
    (3)波形参数的注入与控制
    通过SPI数据总线，分别将FTW1和FTW2输入对应寄存器PROFILE0和PROFILE1。系统工作方式设置成单音频模式。外部信息码片(200 ns)通过控制信号线PROFILE[2：0]数据线使其状态在0，1(PROFILE1，2时钟为0)变化，从而实现载波62．5 MHz和65 MHz的实时切换产生MSK调制信号。在脉冲系统中也可以通过将某一个PROFILE寄存器的幅度参数置为0，来实现脉冲发射。同样这样的脉冲系统也可以采用MSK方式实现。通过波形参数方式产生MSK调制信号是AD9957简单可靠的调制波形生成方法，通过这种方法同样也可以实现BPSK，QPSK调相信号，只不过PRO-FILE控制的参数由频率变成了相位。但在单音频工作方式下通过波形参数控制方式较难实现对基带码流的成形滤波，信号的频谱特性相对较差。

3 结论
    通过理论分析和工程实践，可以得出如下结论：AD9957是一款性能较好的数字上变频器，以该芯片构建的载波调制器具有调制输出信号质量高、电路功耗低、设计简单、应用广泛等优点，是降低各类高速软件无线通信系统的调制设备设计难度以及提高系统性能指标的理想数字化器件。