基于AD8346的通用通信信號發(fā)生器

基于AD8346的通用通信信號發(fā)生器

1 引言
??? 通信信號發(fā)生器是電磁環(huán)境仿真模擬、通信系統(tǒng)設(shè)計中的重要部分，也是通信與通信對抗系統(tǒng)研究的基本要素。傳統(tǒng)的通信信號發(fā)生器通常由硬件電路模塊組成。但該通信信號發(fā)生器存在硬件規(guī)模大、資金投入多、不易擴展等缺點；擴展系統(tǒng)功能時，往往只能通過更改硬件電路實現(xiàn)信號發(fā)生器升級，因而傳統(tǒng)通信信號發(fā)生器無法適用現(xiàn)代系統(tǒng)開發(fā)和電磁環(huán)境構(gòu)建的需求。
??? “軟件無線電”利用硬件電路提供信號的基本通路，通過軟件編程實現(xiàn)傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)的收發(fā)功能，同時可通過更改軟件，少量改動硬件電路實現(xiàn)系統(tǒng)功能擴展，這種借鑒“軟件無線電”的設(shè)計思想，利用軟件設(shè)計與基本硬件電路相結(jié)合的設(shè)計方案，為實現(xiàn)常規(guī)窄帶通信的信號發(fā)生器設(shè)計提供一種新思路。

2 通用通信信號發(fā)生器
??? 通用通信信號發(fā)生器通過軟件定義調(diào)制信號的調(diào)制樣式和調(diào)制參數(shù)，經(jīng)軟件運算產(chǎn)生相應的數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)通過硬件電路產(chǎn)生具體的調(diào)制波形。信號發(fā)生器的“通用性”為：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的通用性，硬件系統(tǒng)的通用性和軟件模塊的通
用性。圖l為信號發(fā)生器的原理框圖。

??? 話音、圖像、傳真、數(shù)據(jù)等基帶信號在計算機中經(jīng)軟件編程進行適當轉(zhuǎn)換，生成相對一致的數(shù)據(jù)格式，并在控制信號的作用下發(fā)送至計算機端口。計算機端口外接信號發(fā)生及中頻調(diào)制硬件模塊，處理計算機端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，生成中頻信號。中頻模擬信號再經(jīng)中頻放大，混頻及高頻放大，用射頻調(diào)制信號發(fā)送。這種射頻調(diào)制信號包含基帶的話音、圖像、傳真、數(shù)據(jù)等信息，即為通信信號。
??? 系統(tǒng)硬件設(shè)計為生成所需調(diào)制信號，同時也要避免大量的電路堆積，應用“軟件無線電”的設(shè)計思想，直接對包含載頻信息的數(shù)據(jù)進行D／A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為已調(diào)信號。但是，對于包含載頻信息的已調(diào)信號來說，根據(jù)采樣定理，如果要有效生成已調(diào)信號，則要求計算機總線接口的傳輸速率相當大，需要較高的硬件性能，且控制復雜。

3 正交調(diào)制法的應用
??? 理想情況下，運用“軟件無線電”的思想，計算機通過運算產(chǎn)生任意通信信號的采樣值，通過D／A轉(zhuǎn)換后生成所需的任意調(diào)制通信信號。但在通信信號帶寬較寬的情況下，直接產(chǎn)生射頻信號所需數(shù)據(jù)量巨大，這是普通計算機的主頻、總線傳輸速度與外設(shè)接口的數(shù)據(jù)傳輸速率所不能承擔的，而且大量高速的數(shù)據(jù)傳輸和控制也增加了相應控制電路設(shè)計成本和難度，因此“軟件無線電“方法在現(xiàn)實中不可取。大量數(shù)據(jù)的來源是對載頻信號的采樣量。而基帶信號本身的采樣量遠遠小于載頻信號采樣量，因此計算機能夠?qū)崟r處理。把表征基帶信號的一些特征通過軟件運算生成采樣值，通過D／A轉(zhuǎn)換與載頻結(jié)合就可產(chǎn)生所需的已調(diào)通信信號，這樣就可避免由于對載頻信號采樣而產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)以及相應的復雜控制。為此，可采用正交調(diào)制法。
??? 將正交調(diào)制法運用于通用通信信號發(fā)生器的中頻調(diào)制模塊，設(shè)計框圖如圖2所示。

??? 圖中，計算機通過軟件計算生成表征基帶信號的I、O串行數(shù)據(jù)。由雙通道發(fā)送D／A轉(zhuǎn)換器分離以后的I、Q分別轉(zhuǎn)換成模擬信號，I、Q模擬信號經(jīng)正交調(diào)制器與本地振蕩器正交相乘生成射頻(中間)信號，再經(jīng)下變頻生成所需窄帶通信信號。系統(tǒng)中，雙通道發(fā)送D／A轉(zhuǎn)換選用10位，40 MS／s的雙通道發(fā)射AD9761。

4 AD8346在通信信號發(fā)生器中的應用
??? AD8346用于0．8～2．5 GHz的射頻正交調(diào)制，可廣泛應用于數(shù)字擴頻通信系統(tǒng)、蜂窩傳輸系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)絡(luò)、OPSK、GMSK、QAM、SSB調(diào)制器、頻率同步等領(lǐng)域。
4．1 AD8346簡介
??? AD8346可調(diào)制的基帶信號帶寬為直流到70 MHz。單端2．7~5．5 V供電，靜態(tài)工作狀態(tài)下電流值為45 mA，休眠狀態(tài)下電流僅為lμA。該器件具有較高精度，在1．9 GHz時，正交均方誤差僅為l°，I／Q幅度平衡僅為0．2 dB。其優(yōu)秀的相位精度和幅度平衡特性使其可直接將信號調(diào)制到射頻。
??? 從電路功能考慮，AD8346可分為本振接口、混頻器、電壓到電流轉(zhuǎn)換器、差分到單端轉(zhuǎn)換器和偏置電路等部分，其內(nèi)部功能構(gòu)成如圖3所示。

??? 其中，本地振蕩接口部分通常接收來自LOIN、LOIP輸入端的外接差分輸入，也可由單端驅(qū)動。本地振蕩接口部分包括分相器和緩沖放大器。其中，分相器由電阻和電容回路構(gòu)成，將輸入的L0本振信號分為精確正交的I、Q兩路振蕩信號，驅(qū)動兩個正交的混頻器。每個通路的信號通過緩沖放大器補償信號的幅頻衰落并分別通過一個單相網(wǎng)絡(luò)增強正交精確度。在正交混頻器中，一路振蕩信號和由IBBP、IBBN饋入的I通道信號相乘，另一路相差90°的振蕩信號和由QBBP、QBBN饋入的Q通道信號相乘。兩個正交混頻器的輸出則通過差分一單轉(zhuǎn)換器輸出阻抗50 Ω。IBBP、IBBN、QBBP、QBBN的輸入則經(jīng)電壓至電流轉(zhuǎn)換器，將基帶的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流，然后送入混頻器。
4．2 AD8346在中頻調(diào)制模塊中的應用
??? 根據(jù)圖2的中頻調(diào)制模塊結(jié)構(gòu)圖，在通用通信信號發(fā)生器中頻調(diào)制模塊中，雙通道D／A轉(zhuǎn)換器與正交調(diào)制器共同生成射頻信號。在設(shè)計中，正交調(diào)制器AD8346與雙通道D／A轉(zhuǎn)換器AD976l相配合能滿足正交調(diào)制的設(shè)計需求。

AD976l與AD8346同將計算機軟件產(chǎn)生的基帶I、O串行數(shù)據(jù)生成中心頻率為周定頻率的射頻調(diào)制信號，其連接關(guān)系如圖4所示。AD9761在控制數(shù)據(jù)的作用下接收來自計算機生成的基帶I、Q串行數(shù)據(jù)，在其內(nèi)部分離I、Q數(shù)據(jù)，使其進行D／A轉(zhuǎn)換，分別產(chǎn)生I、Q的模擬信號。其模擬信號經(jīng)電阻和電容構(gòu)成的交流耦合電路后送入正交調(diào)制器AD8346，在其中與LOIP、LOIN饋入的本振信號正交相乘，最后將正交相乘后的兩路信號合成為調(diào)制在本振頻率上的已凋信號。

??? 電路中，為減少額外的輸入信號損耗，直流偏置電路應盡可能保證I通道和Q通道的輸入信號彼此一致，偏置電路的設(shè)置使每一個通道的偏置電壓約為1．2 V。為此，使用2．43Ω電阻其精度應為0．1％或更高，而偏置電路和交流耦合電路的作用可使A：D8346從AD9761獲取2 V峰峰值的差分信號輸入，基本無電壓損耗。

5 分析討論
??? 采用圖4電路產(chǎn)生中心頻率固定的射頻信號，當調(diào)整本地振蕩頻率時，射頻信號的中心頻率可在O．8～2．5 GHz的范圍變化。AD8346后接下變頻網(wǎng)絡(luò)，通過改變下變頻本振，產(chǎn)生所需的短波和超短波通信信號，而且易于實現(xiàn)濾波器特性。
??? AD8346與AD9761采用直流耦合的方式連接。通過偏置電路，可使AD8346的輸入幾乎無電壓損耗，并以差分輸入獲得近似于AD9761峰峰值電壓2 V，同時，也避免引入額外的電壓偏移，對I和Q通道之間輸入電壓的精度要求不高。但是對元器件的選擇要求較高，圖中的2．43 kΩ電阻要求有0．1％以上的精度，對于元器件的選擇要求較嚴格。
??? 由于AD9761是模擬和數(shù)字混合電路器件，因此在電路布局時應注意模擬電路地線和數(shù)字電路地線的設(shè)置和連接。一般情況下，模擬電路地線和數(shù)字電路地線應盡可能短并設(shè)置為一點連接，避免引入不必要的噪聲而影響模擬電路，降低系統(tǒng)性能。AD8346在通用通信信號發(fā)生器中可產(chǎn)生常規(guī)的窄帶通信信號。若要產(chǎn)生擴頻等寬帶通信信號，則需在該電路基礎(chǔ)擴展信道編碼的功能。

6 結(jié)語
??? 通信信號發(fā)生器是電磁環(huán)境仿真與模擬、通信系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，也是通信與通信對抗系統(tǒng)研究的基本要素。借鑒“軟件無線電”的設(shè)計思想，利用軟件生成的數(shù)據(jù)與基本的硬件框架相結(jié)合，通過基本硬件電路在軟件編程的控制下生成所需的常規(guī)窄帶通信信號是對通信信號發(fā)生器設(shè)計的有益探索。該系統(tǒng)設(shè)計利用正交調(diào)制原理，雙通道D／A轉(zhuǎn)換器與正交調(diào)制器相結(jié)合為信號發(fā)生器提供核心的硬件框架，體現(xiàn)了信號發(fā)生器的“通用性”要求。該系統(tǒng)可相應的在軟件模塊下產(chǎn)生不同調(diào)制樣式、調(diào)制參數(shù)的通信信號。