一種工程化適用的高精度數(shù)控矢量調制器設計

文/王乾

1 引言

為了適應現(xiàn)代通信系統(tǒng)的應用需求，世界各國通信設備都是朝著標準化、綜合化、系列化和通用化的方向發(fā)展。其中的綜合化發(fā)展就是要減少通信平臺數(shù)量、提高通信平臺效率，要求在同一個通信平臺上部署多種通信設備。然而，在同平臺同時工作的發(fā)射機與接收機，兩者的發(fā)射電平和接收電平相差很大，而且同平臺的空間限制會使收發(fā)天線的隔離度十分有限，造成盡管收發(fā)的頻率不同但是發(fā)射機的發(fā)射信號仍然會在接收機輸入端產生很強的干擾電壓。這個干擾電壓會使無線電臺的通信質量會受到很大影響，而且當這個干擾電壓超過接收機的動態(tài)范圍，極有可能造成接收機阻塞而無法工作。因此，有必要在接收機的輸入端抵消來自同平臺通信設備的強干擾信號。

矢量調制器作為干擾抵消器等電磁兼容、抗干擾系統(tǒng)的核心部件，對干擾抵消性能有著非常關鍵的影響。矢量調制器用于對耦合的干擾信號的幅度和相位進行調整，產生與干擾信號等幅反相的對消信號。設干擾信號和耦合的干擾信號在同一極坐標系下，要達到對耦合干擾信號的有效調整，矢量調制器需要具有信號任意大小的放大和縮小的能力以及極坐標系下360°的任意相位的調整能力。信號的放大和衰減在工程上相對容易實現(xiàn)，信號的移相盡管在理論上可以采用移相器來實現(xiàn)，但是要實現(xiàn)可以滿足工程應用的精確移相控制很難。

本文針對這一需求提出了一種適合工程化實現(xiàn)的高精度數(shù)控矢量調制器設計方案。

2 正交矢量調制原理及模型分析

為了滿足工程化需要，對信號調整采用工程中常用的正交信號調整方式，即把對一個信號360°相位調整轉化為對其投影的兩路正交信號的幅度調整和反相調整。

如圖1所示，要把采樣信號矢量B調整到與干擾信號矢量A等幅反相，采用正交坐標軸上的兩個矢量AI和AQ來合成所需要的矢量B。

對于矢量AI和AQ，我們只需要調整幅度和進行180°的反相，就能使其合成矢量B在坐標軸上實現(xiàn)0°～360°的相位旋轉，并且其幅度也可通過調節(jié)坐標軸上的兩個矢量進行調節(jié)。這樣就將對一個矢量信號進行相位和幅度調整的問題轉換成工程上更容易實現(xiàn)的對兩個正交信號的幅度調整和180°反相的問題。

典型的正交矢量調制器模型如圖2所示。

一個典型的正交矢量調制器由一個正交耦合器、一個功率合成器以及兩個可調衰減器及其相應的控制系統(tǒng)組成。正交耦合器主要將一路信號分為I、Q兩路信號，功率合成器負責將兩路信號合成一路信號。

在實際通過電壓控制電調衰減器對信號進行衰減時，一般要求控制量隨電壓是連續(xù)變化的，如果衰減量隨控制電壓的變化不是線性，那么設計的衰減器電壓控制方案會特別復雜。所以在選擇電調衰減器時，盡可能選擇線性度好的器件以簡化后續(xù)控制系統(tǒng)設計。本文使用ADI公司的HMC973A型電調衰減器進行后續(xù)的高精度要求設計，其具有出色的線性度。

3 控制系統(tǒng)的方案設計

3.1 控制系統(tǒng)的數(shù)字化

本文提出了一種將傳統(tǒng)可調衰減器控制系統(tǒng)數(shù)字化的方案。方案主要包括兩方面內容：

（1）將可調衰減器的控制接口與控制信息設計數(shù)字化。在應用時，使用者只需根據(jù)需要調制的情況，按照規(guī)定的通信協(xié)議，向可調衰減器輸入待產生的衰減量，可調衰減器內部就能計算出I路通道和Q路通道上分別需要設置的衰減量，達到信號衰減的目的，從而很方便地實現(xiàn)對可調衰減器的控制，降低使用者對可調衰減器的應用成本。

（2）在矢量調制器內部，將產生壓控電調衰減器控制電壓的電壓產生電路數(shù)字化。采用DAC與運放電路結合的方式產生壓控電調衰減器的控制電壓，這樣只需要提高DAC的位數(shù)，就可以提高所產生控制電壓的分辨率。集成高精度的數(shù)模轉換電路與可調運放電路，進而將輸入的數(shù)字控制信號轉換成壓控電調衰減器的控制電壓，以達到提高正交矢量調制器的調制精度的目的。

圖1：正交信號合成示意圖

3.2 衰減量與控制電壓的關系

3.2.1 衰減量與控制電壓的數(shù)學關系

要想實現(xiàn)正交矢量調制器通過對耦合信號衰減調節(jié)構造出一個與干擾信號等幅反相的對消信號，首先要推導出待調制信號所需衰減量和相移量與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調衰減器所需變化量的關系。

設使用者需要對待調制信號的需要進行的幅度調制為xdB，相位調制為θ°，那么調制后的信號歸一化輸出電壓的大小，可以用公式（2）表示：

由于I路通道上的信號和Q路通道上的信號，是由90°的功分器分配而成的，再經(jīng)過壓控電調衰減器對幅度和相位的調制，最后通過功率合成器合成調制信號。因此I路通道上調制后信號歸一化輸出電壓大小與Q路通道上調制后的信號歸一化輸出電壓大小以及整體調制后的信號歸一化輸出電壓的大小成矢量合成分解的關系，即滿足進而可以得到VI、VQ的與V的關系如公式（3）和公式（4）所示：

根據(jù)以上的數(shù)學關系，進行解析計算，就可以得到I路通道上的壓控電調衰減器需要的衰減值為而Q路通道上的壓控電調衰減器需要的衰減值為

從這個解析計算過程中可以看出，如果調整壓控電調衰減器的衰減量，使得合成矢量的幅度大小保持固定，則高精度數(shù)字矢量調制器就成為一個固定幅度的高精度數(shù)字移相器。

3.2.2 建立衰減量與控制電壓的對應關系

根據(jù)前文的分析，在建立高精度數(shù)字壓控電調調制器的控制信息與I路通道上和Q路通道上各自的壓控電調衰減器的控制電壓的關系時，最主要的設計依據(jù)就是本文的研究目標，即保證待調制信號的幅度可調精度 。

那么在高精度數(shù)字矢量調制器研制時，根據(jù)前文對高精度數(shù)字矢量調制器的衰減量和相移量與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調衰減器衰減量的分析。I路通道上和Q路通道上各自壓控電調衰減器的可調精度也應該滿足的衰減步進來進行設計，至少都應該按照 的衰減步進來設計。所以，在對與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調衰減器衰減狀態(tài)進行方案設計時，就按照的衰減步進來進行設計，那么為了保證衰減量要達到，同時還至少包括10/0.01=1000種狀態(tài)。為了方便對衰減狀態(tài)進行編碼，最終將衰減狀態(tài)設計成1024種衰減狀態(tài)，即在雙極性下，設計能實現(xiàn)的衰減范圍，衰減精度為

以本文選用的HMC973A壓控電調衰減器為例，其控制電壓與衰減量線性度最好的部分是在控制電壓在1V～16V范圍內，衰減量為的范圍內。在設計電調衰減器時，我們主要利用這段線性區(qū)域。

如表1所示。

3.3 控制系統(tǒng)的關鍵電路

壓控電調衰減器的控制電壓產生電路的設計主要分為兩個部分，分別是DAC電路設計和運算放大電路設計。控制電壓值的產生是由DAC電路與運算放大電路共同完成的，兩者的作用分別歸納如下：DAC電路實現(xiàn)將控制狀態(tài)轉換成電壓值，每一種控制狀態(tài)和每一個歸一化電壓是互相唯一對應的，也就是將數(shù)字信號轉換為模擬信號的電壓/電流；運算放大電路主要是將DAC電路產生的電流/電壓值，轉換到需要的控制電壓。

3.4 DAC的選型分析

理論上講，DAC器件選擇使用電壓型輸出和電流型輸出，對產生所需要的電壓沒有區(qū)別，都可以實現(xiàn)產生所需要的控制電壓。但在工程應用中，兩者在使用上，還是存在明顯的差異。

采用電壓型輸出DAC器件，在遠距離傳輸或者是電磁干擾比較嚴重的場合，存在電壓損耗大，抗干擾能力差的問題，容易導致所產生的可調衰減器控制電壓不準確，進而降低高精度數(shù)字矢量調制器的調制精度。正交矢量調制器作為干擾抵消器的核心器件，使用環(huán)境的電磁環(huán)境相當惡劣，即使在結構設計中加入分腔屏蔽結構來大幅降低干擾信號的影響，也不能完全消除這種干擾。一旦存在這種干擾，或多或少會使控制電壓上疊加交流分量，導致控制電壓的波動不穩(wěn)定。通過前面對所需控制電壓產生精度的分析，知道控制電壓的最小精度要達到15mV，所以對干擾屏蔽的要求就非常高。而電流型器件則不然，其抗干擾能力非常好，可以認為不會影響壓控電調衰減器控制電壓的精度。因此矢量調制器選取電流型DAC來設計控制電路更合適。

表1：衰減量與控制電壓對照表

DAC的采樣率同需要從系統(tǒng)需求和成本兩方面考慮。采樣率不宜太小，否則它的帶內處理增益較小，對它的SNR要求相應的就會提高，采樣率過高，成本也會增大。本文選擇ADI公司的AD9776型DAC可以滿足上述要求。AD9776具有的12位控制字可以完成1024種狀態(tài)的控制與選擇，另外采樣率1GSPS也完全能夠滿足應用需求。

3.5 運算放大電路

使用電流型DAC在復雜電磁環(huán)境中有很好的抗干擾的性能，但是也有其不利因素，由于器件是電流型輸出，而衰減器是壓控衰減器，需要將電流型信號轉換為電壓型信號。

電流轉電壓的設計主要有兩種方式：在電流信號上接一個電阻直接將電流信號轉換成電壓信號；接一個運算放大器來將電流信號轉換為電壓信號。如果采用第一種轉換方式，后續(xù)的運算放大電路，會對輸出的電流信號形成分流，從而降低產生的電壓，進而造成可調衰減器控制電壓精度降低。所以采用運算放大器來將電流信號轉換成電壓信號具有更大的優(yōu)勢。其電路原理圖如圖3。

使用運算放大器設計完成電流轉換為電壓的同時，也可以將該電壓直接轉換到所需要的控制電壓。

由放大器的虛短虛斷性質，可有：

由于AD9776的輸出電流的范圍為8.7mA～31.7mA，將電流代入公式（5），可以計算得到

4 結束語

圖2：典型的正交矢量調制器模型

圖3：電流轉電壓電路原理圖

本文通過闡述正交矢量調制原理，構建正交矢量調制器模型，選取適合工程化實現(xiàn)的主流可靠器件，建立了基于壓控電調衰減器的前端模型，接著進行了控制系統(tǒng)的方案設計，結合系統(tǒng)的高精度設計依據(jù)，通過分析衰減量與數(shù)字電壓的關系，設計了控制系統(tǒng)關鍵電路，完成了適合工程化實現(xiàn)的高精度數(shù)控矢量調制器的設計方案。通過分析驗證，設計的高精度數(shù)控矢量調制器取得了滿意的結果。