采用AD9789與FPGA相結(jié)合實現(xiàn)全數(shù)字QPSK射頻調(diào)制的方案

摘要： 一種采用AD9789與FPGA相結(jié)合，在FPGA上實現(xiàn)全數(shù)字QPSK射頻調(diào)制的方案。介紹了AD9789的接口設(shè)計及配置流程，并給出了設(shè)計實例。
DVB-S標準只是規(guī)定了信道編碼及調(diào)制方式，沒有提供具體的射頻調(diào)制方案，DVB-S標準要求載波的頻率范圍為950 MHz-2150 MHz，由于受到FPGA內(nèi)部資源運算速度的限制，一般只能實現(xiàn)中頻調(diào)制[1]。傳統(tǒng)的射頻調(diào)制是在中頻調(diào)制后加模擬上變頻，如中頻調(diào)制之后采用AD8346[2]進行射頻調(diào)制，但這樣就增加了設(shè)計的復雜度及成本。本文采用ADI公司最新推出的AD9789與FPGA相結(jié)合的方法實現(xiàn)了全數(shù)字DVB-S標準射頻調(diào)制。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

AD9789[3] 14 bit TxDAC芯片內(nèi)部集成了QAM編碼器、內(nèi)插器和數(shù)字上變頻器，可為有線基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)2.4 GHz的采樣率。AD9789 TxDAC支持DOCSIS-III、DVB_C 2個標準，并不支持DVB-S標準。配置選項可以設(shè)置數(shù)據(jù)路徑來為QAM編碼器和SRRC濾波器設(shè)置旁路，從而使DAC能夠用于諸如無線基礎(chǔ)設(shè)施等多種應用中。本文就是利用這一點實現(xiàn)了DVB_S的射頻調(diào)制，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)DVB-S信道編碼[3](隨機化、RS編碼、卷積交織、卷積壓縮編碼)、星圖映射、SRRC 濾波器（滾降系數(shù)為0.35），經(jīng)ODDR模塊給AD9789提供復數(shù)數(shù)據(jù)。其射頻調(diào)制方案如圖1所示。

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2 可變符號率的設(shè)計

DVB-S調(diào)制器符號率一般支持1 MS/s～45 MS/s可調(diào)，這就需要對TS流進行速率調(diào)整。整個DVB_S信道編碼有2次速率的變化：(1)RS編碼，它將188的包結(jié)構(gòu)變成204的包結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)輸出的速率為輸入的204/188倍。(2)卷積壓縮編碼，由于卷積壓縮編碼采用不同的編碼比率，如1/2、2/3、3/4、5/6、7/8，對應的輸出數(shù)據(jù)速率就變成輸入數(shù)據(jù)速率的1、3/4、2/3、3/5、4/7倍，針對符號率的設(shè)計，本文提出了符號率的設(shè)計公式：FBAND=A×204/188×8×1/2×(N/N-1)，其中A為TS流的輸入數(shù)據(jù)速率，N的取值為2、3、4、6、7，之所以乘以8是因為在卷積編碼時要進行數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。

本文采用插空包的方式實現(xiàn)RS編碼速率調(diào)整，其設(shè)計思路是在信道編碼之前對TS流進行一次速率調(diào)整，將188的數(shù)據(jù)包變成204的數(shù)據(jù)包，這樣大大簡化了后端的設(shè)計，具體的操作就是通過FIFO實現(xiàn)，由于TS流速率慢，所以先寫FIFO，等到寫滿一半，開始讀，讀的時候每次只讀188個數(shù)據(jù)，然后再在其后添加16 B數(shù)據(jù)，添加0即可，這樣就變成了204個字節(jié)的包結(jié)構(gòu)。由于讀的速率很快，有可能讀空，所以要判斷FIFO內(nèi)部所剩下的數(shù)據(jù)，當不滿188 B時，就插入204 B的空包，這樣可以保證速率調(diào)整之后的數(shù)據(jù)是連續(xù)的。符號率的設(shè)計公式變成：FBAND=B×8×1/2×(N/N-1)，只需要改變B及N的值就可以實現(xiàn)符號率的可變。

針對卷積壓縮編碼速率調(diào)整，本文采用重配置DCM[4]與FIFO結(jié)合的方式實現(xiàn)，由于調(diào)制采用不同的編碼率，導致輸出的數(shù)據(jù)速率是可變的，這就使得數(shù)據(jù)的輸出時鐘是輸入時鐘的非整數(shù)倍，很難做到小數(shù)分頻，所以提出了用重配置DCM的方式提供可靠的時鐘對應關(guān)系。經(jīng)卷積壓縮編碼后的數(shù)據(jù)輸出是不連續(xù)的，為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)升采樣的處理，通過一個FIFO將數(shù)據(jù)打成勻速的。

3 AD9789基本結(jié)構(gòu)[5]

AD9789 包含一個用于器件配置和狀態(tài)寄存器回讀的 SPI(串行外設(shè)接口)端口。靈活的數(shù)字接口可以適應4 bit～32 bit的數(shù)據(jù)總線寬度，并且可以接收實數(shù)或復數(shù)數(shù)據(jù)，最多可接收4路輸入信號。每一路信號最大能經(jīng)過5級半帶插值濾波，插值之后的數(shù)據(jù)與NCO生成的正余弦信號相乘，再經(jīng)過通道增益變化，4路信號相加后再通過總增益調(diào)整、16倍插值和帶通濾波器實現(xiàn)數(shù)字上變頻，最后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，其原理如圖2所示。4個通道的基帶處理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，如圖3所示。在本設(shè)計中，旁路掉QAM編碼器和SRRC濾波器，經(jīng)過5級半帶插值后，通過調(diào)節(jié)P/Q值，可實現(xiàn)不同符號率的調(diào)整。

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4 AD9789上變頻原理及配置流程[5]

基帶信號經(jīng)過插值后與NCO生成的正余弦信號相乘，從而把基帶信號頻譜調(diào)制到0～fDAC/16之間完成基帶調(diào)制，即實現(xiàn)圖4(a)～圖(b)的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過16倍插值濾波器后，形成16個奈奎斯特區(qū)，后15個區(qū)內(nèi)的頻譜為第1奈奎斯特區(qū)基帶調(diào)制信號的鏡像頻譜，通過配置帶通濾波器的中心頻率，可濾除不需要的15個鏡像，得到要想的調(diào)制信號，如圖4(c)所示。AD9789的這種特殊架構(gòu)，使得輸出的調(diào)制信號頻率范圍為0～fDAC，而fDAC最高可達2.4 GHz，完全可以滿足DVB-S標準L波段輸出的要求。

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