基于AD9957實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)

張 浩，王永斌，付天輝，張 娜

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2．海軍通信總站，北京 102100)

基于AD9957實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)

張 浩1，王永斌1，付天輝1，張 娜2

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2．海軍通信總站，北京 102100)

首先簡(jiǎn)要介紹了射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)的基本原理以及AD9957芯片的主要功能，然后提出了一種利用AD9957芯片QDUC模式實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)內(nèi)部數(shù)字上變頻模塊和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊的方案，對(duì)該模式下基帶數(shù)據(jù)產(chǎn)生、時(shí)鐘配置和串口編程的方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，最后給出了AD9957在短波發(fā)射機(jī)中應(yīng)用方案的仿真結(jié)果和硬件實(shí)測(cè)結(jié)果。

AD9957；QDUC模式；射頻數(shù)字化

0 引言

數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)思路是盡可能讓數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)靠近天線，盡可能用數(shù)字信號(hào)處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬信號(hào)處理。隨著DSP、FPGA等硬件水平的提高，射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)已成為現(xiàn)實(shí)。本文將介紹一種能完成正交上變頻和數(shù)/模轉(zhuǎn)換的專用芯片——AD9957，并對(duì)AD9957在射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

1 射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)原理

早期短波發(fā)射機(jī)都是模擬系統(tǒng)，音頻輸入信號(hào)經(jīng)過SSB調(diào)制、多次混頻、濾波和放大，音頻信號(hào)才能搬移到射頻頻段。在射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)中，大部分模擬電路被數(shù)字電路代替，基帶信號(hào)直接由數(shù)字上變頻模塊轉(zhuǎn)發(fā)至短波發(fā)射頻段；DAC完成數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變；模擬信號(hào)經(jīng)過功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò)，最后由天線發(fā)射[1]，如圖1所示。

圖1 射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)原理框圖

2 AD9957概述

AD9957芯片是ADI公司生產(chǎn)的通用數(shù)字正交上變頻器，它集成了一個(gè)高速、直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer ，DDS)、一個(gè)高性能、高速的14 位DAC、時(shí)鐘乘法器電路、數(shù)字濾波器和其他DSP功能[2]。AD9957有三種工作模式：正交數(shù)字上變頻(Quadrature Digital Up Converter，QDUC)模式、DAC內(nèi)插模式和單音模式。利用AD9957的QDUC模式，可實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)內(nèi)數(shù)字上變頻和數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分。

在QDUC模式中，輸入正交的兩路信號(hào)：I(t)和Q(t)，數(shù)據(jù)分配器和格式器對(duì)I和Q進(jìn)行解交錯(cuò)處理，以便每個(gè)樣本沿著內(nèi)部數(shù)據(jù)通路以并行方式傳輸。半帶濾波器和級(jí)聯(lián)梳狀積分(Cascad Comb Intergrator，CCI)濾波器對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插濾波，分別使輸入信號(hào)的采樣率提高4倍和2～63倍。提高基帶信號(hào)采樣率的作用是能夠與DDS 內(nèi)核產(chǎn)生的正交(正弦和余弦)本振信號(hào)相乘并相加，從而產(chǎn)生正交上變頻數(shù)據(jù)流。反CCI濾波器和反SINC濾波器分別對(duì)CCI濾波器和DAC產(chǎn)生的通帶幅度衰減進(jìn)行補(bǔ)償。QDUC模式的功能框圖[3]如圖2所示。

圖2 QDUC模式功能框圖

3 QDUC模式

3.1 I/Q數(shù)據(jù)產(chǎn)生

I/Q數(shù)據(jù)分別為基帶數(shù)據(jù)的同相分量和正交分量，采用18位二進(jìn)制補(bǔ)碼或偏移二進(jìn)制表示每個(gè)采樣點(diǎn)的大小?；鶐?shù)據(jù)的容量由數(shù)據(jù)時(shí)長和采樣速率共同決定。例如，發(fā)送1 s的基帶數(shù)據(jù)，采樣速率為5 MHz，則需要1×5×18=90 Mbit數(shù)據(jù)容量。如果基帶數(shù)據(jù)為矩形脈沖序列，在輸入芯片數(shù)據(jù)端口前必須經(jīng)過脈沖整形。QDUC模式下數(shù)據(jù)讀取時(shí)序圖如圖3所示，TxENABLE是選通用戶數(shù)據(jù)的信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為真時(shí)允許將數(shù)據(jù)鎖存到器件中。PDCLK為并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘，該信號(hào)頻率等于基帶數(shù)據(jù)的采樣速率。通常情況下，采用PDCLK上升沿鎖存數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)端口。在QDUC模式下，AD9957的并行端口上交替出現(xiàn)I和Q數(shù)據(jù)字，每個(gè)PDCLK有效沿捕捉一個(gè)18 位I或Q字。因此，PDCLK時(shí)鐘速率為：

(1)

其中，fSYSCLK是DAC的采樣速率；R是CCI濾波器的插值因子。半帶濾波器插值因子為定值4，CCI濾波器插值因子為R，則I或Q數(shù)據(jù)各自的速率為fSYSCLK/4R， 所以PDCLK時(shí)鐘速率為fSYSCLK/2R。

圖3 QDUC模式下時(shí)序圖

3.2 時(shí)鐘配置

直接驅(qū)動(dòng)允許直接輸入頻率在60 MHz～1 GHz之間的信號(hào)作為芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘。也可以輸入低頻信號(hào)，由芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)(PLL)倍頻為400 MHz～1 GHz。晶體驅(qū)動(dòng)是由晶振產(chǎn)生參考時(shí)鐘，然后倍頻至相應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻段。

AD9957采用了一種數(shù)?；旌湘i相環(huán)，即電荷泵鎖相環(huán)CPPLL(Charge Pump Phase-Lock Loop)，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由鑒頻鑒相器PFD(Phase Frequence Detector)、電荷泵CP(Charge Pump)、低通濾波器LPF(Low-Pass Filter)、分頻器(Divider)和壓控振蕩器VCO(Voltage Control Oscillator)組成[4]。

圖4 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

LPF采用三階環(huán)路濾波器[5]，如圖5所示。

圖5 三階無源環(huán)路濾波器

其中R2為1 kΩ，C3為1.1 pF，其余參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)需要在芯片外圍焊接，計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

其中，KD為電荷泵電流值；KV為VCO增益；N為反饋分配系數(shù)；φ為相位余量；fOL為開環(huán)帶寬。

在硬件測(cè)試中，取KD=287 μA，KV=500 MHz/V，N=20，fOL=1.2 MHz，φ=45°。計(jì)算得出，R1為1 211 Ω，C1為300 pF，C2為46 pF。

3.3 串口編程

AD9957串行 I/O端口兼容了包括 Motorola 6905/11 SPI 和 Intel 8051 SSR 協(xié)議在內(nèi)的大多數(shù)同步傳輸格式[2]。

串行通信周期可分為兩個(gè)階段。第一個(gè)是指令階段，將要訪問的寄存器地址字節(jié)寫入 AD9957，并定義第二階段進(jìn)行寫入或者讀取。第二階段為寫入周期或者讀取周期，分別指從串行端口控制器向串行端口緩沖器傳輸數(shù)據(jù)和從有效寄存器讀取數(shù)據(jù)。寫入周期結(jié)束后，編程數(shù)據(jù)駐留在串行端口緩沖器中，處于無效狀態(tài)。I/O_UPDATE 將串行端口緩沖器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接行Ъ拇嫫鳌?duì)于讀取周期，不需要I/O_UPDATE，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘下降沿輸出。

4 結(jié)論

采用碼率為2 kb/s的自定義序列(1011010)作為基帶數(shù)據(jù)，采用Systemview軟件搭建QDUC模式功能電路，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真過程中，脈沖整形采用的升余弦濾波器滾降系數(shù)為0.5，200倍內(nèi)插濾波，輸出載頻25 MHz，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 波形仿真圖

硬件測(cè)試結(jié)果如圖7所示，實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

圖7 實(shí)測(cè)結(jié)果

綜上所述，AD9957應(yīng)用于短波發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化，具備實(shí)際可行性。

[1] 王金龍.短波數(shù)字通信研究與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] AD9957 Data Sheet[Z].Analog Devices,Inc.2006.

[3] 劉國棟.基于AD9957的數(shù)字正交調(diào)制器設(shè)計(jì)[J]. 無線電工程，2009,39(12):59-60.

[4] 李榮榮. 鎖相環(huán)中PFD和CP的設(shè)計(jì)[D]. 南京:東南大學(xué)，2014.

[5] 劉奡.寬帶環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)[D]. 南京:東南大學(xué)，2006.

Radio frequency digital HF transmitter based on AD9957

Zhang Hao1，Wang Yongbin1， Fu Tianhui1，Zhang Na2

(1.College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033， China；2.Navy Communication Terminal, Beijing 102100, China)

First of all, a brief introduction to the main function of RF digital HF transmitters as well as the basic principles of the AD9957 chip are given, then a scheme that realizes QDUC mode and the digital to analog conversion module based on AD9957 chip in the RF digital HF transmitters is proposed. The methods of the baseband data generation, clock configuration and serial programming are described in detail. Finally, the simulation and hardware test results of the scheme that AD9957 could be applicated in HF transmitter are given.

AD9957; QDUC mode; RF digitalization

TN914.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.02.009

張浩，王永斌，付天輝，等.基于AD9957實(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(2)：25-27.

2016-07-21)

張浩(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：短波通信。E-mail：497456463@qq.com。