0 引言
根據奈奎斯特以離散量描述一個正弦波至少需要2個點的波形幅度值。但在實際的工程應用中為了保證信號失真滿足系統基本要求，至少需要2.5個離散幅值點來描述一個周期的正弦波信號，若使系統調制信號達到較高的質量則需要8個離散幅值點。
例如對于載頻為70MHz的數字調制系統，就必須以175～560MHz的信號速率輸出數字波形。若系統中頻定在100MHz就必須以250～800MHz的信號速率輸出幅值。要產生這樣高速率的調制波形，以目前的數字器件的技術水平存在一定困難，雖然D/A轉換器的速率已經達到1GHz以上，但另一個重要的數字信號處理器部件FPGA，卻很難以這樣的信號速率輸出信號波形所對應的離散幅值點。同時信號的高速率給FPGA同D/A轉換器之間的信號連接帶來了困難，為保證信號完整性的同時盡量減少高速信號帶來的板內串擾，致使PCB板的設計趨向復雜化。
因此采用內核速率較高的專用調制芯片，使高速信號的產生、處理、控制、傳輸過程被封閉在單一芯片內完成，回避了由FPGA產生高速數據流帶來的技術困難，以及PCB設計的復雜化。ADI公司針對通信市場設計的高速數字上變頻器AD9957是實現高速數字調制的具有普遍適應性的一款高性能芯片。
1 AD9957數字上變頻器基本技術特性
1.1 基本技術指標
AD9957內部集成了大量硬件資源，包括正交數字上變頻器、濾波器、時鐘倍頻器、D/A轉換器、增益控制器、參數寄存器、波形存儲RAM、SPI接口控制器等�？赏ㄟ^對其內部信號參數寄存器的配置產生多種復雜波形。AD9957內核基本性能參數如下：
1 GSPS內部時鐘速率，模擬輸出信號最高頻率為400MHz；1 GSPS同步時鐘，14b D/A輸出；相位噪聲小于125dBc/Hz(400MHz)；8個可編程鍵控波形存儲寄存器(鍵控幅度、頻率、相位)；正交信號輸入速率為250MHz/18b；三種可編程工作模式：正交調制方式；單音頻方式；內插DAC方式。
由上述技術指標可知產生一個載頻100MHz的中頻調制信號，AD9957在最高內核時鐘的驅動下可以實現每個正弦波周期以10個離散幅度點輸出，超過高質量波形要求的8個離散幅度點。此外8個鍵控波形存儲寄存器，可以通過控制信號對存儲波形的切換實現MSK，BPSK QPSK，8P-SK，MFSK等多種高速率的調頻、調相信號。14b的D/A可實現84dB輸出信號動態(tài)范圍。在正交調制工作模式下最大基帶碼流的輸入速率可達250MSPS(I/Q兩路總合)。
1.2 正交調制方式工作原理
正交調制方式是AD9957的基本工作方式，如圖1所示。
調制18bI路(同相路基帶碼流)和18bQ路(正交路基帶碼流)數據實時交替更新，一次內部采樣可將I/Q數據一起提取到內部寄存器。AD9957內部提供sin和cos的本地數字振蕩器分別同I，Q輸入數據流相乘，產生正交調制數據流之后相加，如下式：
正交數據流在幅度系數控制下，經D/A轉換產生模擬信號輸出。通過正交方式，可以實現大多數調頻、調相、調幅信號的載波調制。以BPSK(二進制相移鍵控)信號為例，要使角頻率為ωc載波在輸入碼流的控制下，載波相位在[0，π]之間變化，由上式可知要產生BPSK信號，正交路基帶碼流Q應始終為0而同相路基帶碼流應在正的最大值和負的最大值之間變化。當I為+MAX時sin(ω，t)的相位不變，當I為-MAX時sin(ωct)的相位反轉了π。
QPSK的產生方法與此類似，但正交路基帶碼流不為零。而由I和Q的4種排列組成對應4種不同的載波初始相位：I=MAX，Q=0，初始相位為0；I=0，Q=MAX，初始相位為π/2；I=-MAX，Q=0，初始相位為π；I=0，Q=-MAX，初始相位為-π/2。
正交調制工作模式下AD9957具備產生較復雜的信號的能力。在輸入基帶碼碼速率低于AD9957內核時鐘1/4的前提條件下，可通過控制I，Q的輸入數據，使輸出中頻信號的頻率和相位任意變化。因此可通過對輸入的基帶碼流做前端濾波處理，使信號的頻譜特性得到改善。而AD9957通過單音頻方式實現載波調制由于波形參數一次置入很難實時修正，因此不具備產生較復雜的信號的能力。
1.3 單音頻方式工作原理
單音頻工作方式是AD9957通過簡單波形參數存儲的方法實現信號調頻、調相、調幅的工作方式，如圖2所示。
在單音頻調制模式下，正交調制電路被關閉。用戶可通過SPI總線接口將需要產生的波形參數包括幅度、相位、頻率輸入內部相關寄存器。最多可存儲8個不同波形。這8個不同波形可通過3根PROFILE(可表示0～7，8個狀態(tài))控制信號線來選擇內部對應參數的波形并從D/A模擬輸出。以FSK信號為例：可將兩個不同的載波頻率f1和f2分別量化為頻率調諧字并從SPI接口輸入到0號和1號PROFILE寄存器(輸入其他PROFILE寄存器亦可，只要波形編碼尋址正確即可)。在進行調制信號時，通過控制PROFILE信號線進行編碼使其3位二進制碼表示的數據在(0，1)之間變化，相應D/A輸出的模擬信號波形就會隨著在碼流的控制下在兩個載頻之間變化。
AD9957內部輸出的數字信號碼流是由相位累加而成，可以在兩個頻率切換時保證載波相位的連續(xù)性，不會因信號相位跳變而使高次諧波分量的幅度提高。
OSK(幅度鍵控)信號是AD9957在單音頻工作方式下實現載波調制的重要信號。當系統需要以脈沖方式輸出調制信號時，可以使AD9957工作在OSK有效模式下，這樣調制信號的輸出幅度會受OSK信號的控制在O和最大值之間變化，使中頻調制信號以脈沖格式輸出。中頻調制信號脈沖周期、脈寬和OSK信號一致，但由于芯片內部處理延遲，中頻調制信號輸出會滯后OSK信號幾個微秒(固定值)。
2 通過AD9957產生調制信號
MSK和BPSK信號是數字通信中使用較為廣泛的載波調制方式。通過AD9957很容易產生這兩種信號波形。
2.1 基于波形參數控制的MSK調制
2.1.1 MSK調制信號特性
MSK最小頻移鍵控是調制為0.5且相位連續(xù)的FSK載波調制信號。其特點如下：
(1)已調信號的振幅是恒定的；
(2)信號的頻偏嚴格等于±1/4 Ts(Ts是信息碼片寬度)，相應的調制指數h=(f2-f1)/Ts=1/2；
(3)以載波相位為基準的信號相位在一個碼元期間內準確的線性變化為±π/2；
(4)在一個碼元期間，信號應包括1/4載波周期的整數倍；
(5)在碼元轉換時刻信號的相位是連續(xù)的(沒有跳變)；
(6)功率普滾降速度快，帶外輻射較小。
以中心載頻為63.75MHz，碼速率為5Mb/s的MSK調制信號為例：
(1)兩個載頻f1=62.5MHz，f2=65MHz，其調制指數h=(65-62.5)MHz=2.5MHz=1/2速率。
(2)在一個碼片周期內(200ns)所包含的中心載頻63.75MHz的1/4周期個數P：P=0.2/(1/63.75)×(1/4)=51，是整數，滿足約束條件。
2.1.2 AD9957波形參數控制產生MSK調制信號
在以中心載頻為63.75MHz，碼速率為5Mb/s的MSK調制信號系統中，AD9957可通過控制內部寄存器以開關切換的方式實現上述波形的產生，流程如下：
(1)內核時鐘的產生
AD9957的內核時鐘既可以直接輸入高頻時鐘，也可以通過內部倍頻器將外部時鐘倍頻產生，內部倍頻器最大倍頻數為127(7b)。采用內部倍頻方式，時鐘最大輸入頻率為60MHz。若采用40MHz外部時鐘，倍頻到1GHz內核時鐘，倍頻寄存器參數應設定為25。
在實際的工程實踐中發(fā)現用于產生AD9957高頻內核時鐘的鎖相環(huán)電路性能較差，會影響系統信號質量，因此通過外部高頻時鐘直接輸入作為內核時鐘是較好的設計方案。
(2)頻率調諧字的計算
頻率調諧字是AD9957在單音頻工作模式下，實現信號調制的重要參數。對于中心載頻為63.75MHz，碼速率為5Mb/s的MSK調制系統，假定AD9957的內核時鐘為1GHz，其兩個載頻62.5MHz和65MHz的頻率調諧字(FTW)分別為：
(3)波形參數的注入與控制
通過SPI數據總線，分別將FTW1和FTW2輸入對應寄存器PROFILE0和PROFILE1。系統工作方式設置成單音頻模式。外部信息碼片(200ns)通過控制信號線PROFILE[2：0]數據線使其狀態(tài)在0，1(PROFILE1，2時鐘為0)變化，從而實現載波62.5MHz和65MHz的實時切換產生MSK調制信號。在脈沖系統中也可以通過將某一個PROFILE寄存器的幅度參數置為0，來實現脈沖發(fā)射。同樣這樣的脈沖系統也可以采用MSK方式實現。通過波形參數方式產生MSK調制信號是AD9957簡單可靠的調制波形生成方法，通過這種方法同樣也可以實現BPSK，QPSK調相信號，只不過PRO-FILE控制的參數由頻率變成了相位。但在單音頻工作方式下通過波形參數控制方式較難實現對基帶碼流的成形濾波，信號的頻譜特性相對較差。
3 結論
通過理論分析和工程實踐，可以得出如下結論：AD9957是一款性能較好的數字上變頻器，以該芯片構建的載波調制器具有調制輸出信號質量高、電路功耗低、設計簡單、應用廣泛等優(yōu)點，是降低各類高速軟件無線通信系統的調制設備設計難度以及提高系統性能指標的理想數字化器件。
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本文標題：基于專用數字上變頻器的中頻調制器
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