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。