基于ad8346的直接变频发射机设计与实现.pdf

现代电子技术)2 0 0 7年第 1 9期总第 2 5 8期 测试 测量 自动化司 基于A D 8 3 4 6 的直接变频发射机设计与实现 叶振锋(中国电子科技集 团公 司 第 2 O研究所陕西 西安7 1 0 0 6 8)摘 要：分析 直接正 交调 制技 术的边 带抑制和 本振 泄漏 问题，基于正 交调制 上变频原理，采 用 A D 8 3 4 6芯 片，给 出一种 I 波 段 直接 正 交 变频 发 射 机 的设 计 方 案。关键词：正 交直接 变频；边 带抑 制；本振 泄漏；A D8 3 4 6 中图分 类号：TN 8 3 2 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 3 7 3 X(2 O 0 7)1 91 5 7 0 3 De s i g n a n d I mp l e me n t a t i o n o f QDUC T r a n s mi t t e r Ba s e d o n AD8 3 4 6 YE Zhe nf e n g (No 2 o t h Re s e a r c h I n s t i t u t e，E l e c t r o n i c Te c h n o l o g y Gr o u p Co r p o r a t io n o f C h i n a，Xi a n，7 1 0 0 6 8，C h i n a)Ab s t r a c t Th e p a p e r a n a l y s e s t h e p r o b l e m o f s i d e b a n d s u p p r e s s i o n a n d L O l e a k a g e a b o u t Di r e c t Qu a d r a t u r e Up Co n v e r-s i o n(DQUC)B a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f DQUC，u s i n g t h e AD8 3 4 6 q u a d r a t u r e mo d u l a t o r，t h e d e s i g n s c h e me o f a n LB a n d DQUCt r a n s mi t t e r i s g i v e n Ke y wo r d s：Di r e c t Qu a d r a t u r e UpCo n v e r s i o n)；s i d e b a n d s u p p r e s s i o n；I O l e a k a g e，AD8 3 4 6 1 引 言 直接 变频 技术 长 期 以来 一 直 被誉 为 通 讯领 域 的“圣 杯”。很显然，任 何承诺 减 少元 器件数 量并 且 降低成本 的 新体 系结 构必定 很诱人。然而，事情从 未这样 简单。超外 差 体系结 构能够在 中频(I F)滤除宽带 噪声、镜像 和杂散分 量，直接变频 发射 机却没有这么 多功 能。无线发 射机 的体 系结 构长期 由超外 差 式所 主宰。随 着半 导体 工艺技 术 的 进 步和对通 信设 备小 型化、低 功耗、多功能 需求 的不断 增 加，基于正交 调制 的 直接 正 交上 变 频技 术 DQUC(d i r e c t q u a d r a t u r e u pc o n v e r s i o n)得到 了迅速发展。直接变频是把基 带信 号直接 调 制到射 频 载波 上的 一 种 最直接和最简 单 的调制方 式。基 于正 交调 制 的直接 正 交变频技 术 D QU C能够 直接 将基带 信号搬 移到射 频载 频 并消除无用的边带信号，以实现 调制。其突 出优 点是不 要 中频放大、滤波、变频等 电路，同时放宽 对 变频器后 滤波 器的性 能要求，甚至 可 以不需 要滤 波器，从 而极 大地减 小 了发射机的体 积、重 量、功耗 和成 本。但 这项 技术 也存 在 很多缺点，如正交调制信号 和正交本 振信号相 位和 幅度 的 不平衡，对直流偏 移 失真非 常敏感 等，因此 导致 严重 的边 带和本振泄漏。、2直接 正 交变频 技 术分 析 典型 的 DQUC无线 发射机 的功能框 图如 图 1所 示。收稿 日期：2 0 0 7 0 6 1 6 其 中 (f)和 Q()是正交基带调 制信号，()是射 频 本 振信号，R ()是 已调射频信号。电路工作 时，-厂 0 先经 移 相 器移相产生正交本振信 号 ，(f)和 厂 0。()，然 后分别 与 正交基带信号()和 Q()相乘后作代 数(加或减)运 算，抵 消无用边带信号，输 出想 要 的边带 信 号 ()，从 而 实 现单边带调制。图 1 典 型 的 DQUC 无 线 发 射 机 的功 能框 图 理想情况下，正交调 制信号()，Q()和正 交本振 信 号 f o，()，f 0。()的幅度和相位分别 完全平衡，且不存在直 流偏移。因此，DQ UC输 出的 R F 信 号-厂 R ()是一个理想 的 单边带信 号，不存 在边带和本振泄漏 问题但在实 际情况下()，Q()和 f 0，()，f 0。()信号总是存在幅度和相位 的不 平衡及直 流偏 移误差。为了便 于分析问题，我们定义基带 信号如下：()一 Gc o s(“+)+D 1 Q()一 s i n 上式 中 G，D 分别为()和 Q()信 号之 间的归一 化 幅度 比、正 交相位 误差 和直流偏 移误 差。我 们定义 载波 信号如下：1 5 7 维普资讯 http:/ 叶 振锋：基于 A D8 3 4 6的直 接变频 发射 机设 计 与实 现 ，一A c。s +E (2)1 Q()一s i n(U L t 上式中 A，0，E分别为，()与 J o Q()信号之 间的归 一化幅度 比，正交相位误差和直流偏移误差。理想情况下，A G 1；一 0 0；D E 一 0。D QU C的输 出信号 为如下：RF(t)一()f o，()一 Q()f o。(，)-二 O c o s(a,+)+D A c o s(U(t+)+E 一 s i n(s i n o)c t =(等c o s(+)+1)C O S(等 (+in(w c q-+(等 (一 )+专)C O S(一 )一 s i n(一 cp)s i n(一)十 D A C O S(U(f+)+-3c o s(+)+E1)(3)上式 中上边带 已调信号 (t)为：(f)一(c。s(+)+1)C O S(+)一 s i n(+)s i n(U(+)f (4)式 中下边带 已凋信号 f ()为：)一(等 ()+丢)C O S(一 一 s i n(一)s i n(U()(5)式 中泄漏的本振信号，(f)为：()一 DA c o s(o)，+)(6)式 中低频分 量为：E -c o s(+)+ED(7)其 中的低频分量可 以用 I B F(低通滤 波器)加 以消除。(1)载波泄漏分析 实际上在设计 中我们可 以调整使 A一】，G 一 1 ()一 DA c o s(o),t+)DC O S(o),，+cp)(8)从上 面导出的结论 中，我们显然可以看出，(f)主要 是 由 (f)和 Q()信号存 在的直流偏移(D C B i a s)引起 的。所 以我们在 电路 设计时，对于信 号，(f)和 Q(f)的传输最 好采用 交流耦合，以减 小或 消除直 流偏 移 从 而减小 或消 除本振信号的泄漏。(2)边带抑制分析 由式(3)，式(4)，式(5)得：f Ls,(，)一(等 (一 )+)C O S(一 AG s i n(一)s i n(U(一)f R I c o s (一)t+(9)1 5 8 其 中：R：(等 c 一 专)+(sin c)(1 0)一一 t a n f s i n(O-)f c o s(0-)一(A G)J)(1 1)D Q uc 的 边 带 抑 制 能 力 通 常 用 边 带 功 率 抑 制 比 (P S P R)来定量表示，也 就是想要 的边带 信号功 率和需要 抑制 的无用 边带信号功率的 比值，即：P 一 。lg()一 z。lg(案)c ，考虑到 正交本 振 信 弓 是 由正 交调制 器 内部的分 相 网 络产生的，其正交相位差 很小，近似 等于 0，所 以，上式 可 以简化为：SCPR_ 1。lg(1 q-A 2 G 2 q-2 A G c o s )(1 3)用 Ma t l a b软 件 对 上 式 进 行 仿 真 计 算 分 析，可 以 得 出 P S PR，AG和 】D 三者之间关系，如图 2 图 4所示：2 0 、3 0 3 5 -4 0 S i d e b a n d Su pp r e s s i o n d B 图 2 只有正 交信 号相位误 差边 带抑 制 、一2 6 c E 、竺：、=2&B(、0 0 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 l 0 Ampl i t u de Er r or d B 图 3 相 位和幅度误差边带抑制 图 4 P S PR，AG和 关 系 图 2 O 8 6 4 2 O 维普资讯 http:/ 现代电子技术)2 o o 7年第 1 9期总第 2 5 8期 测试 测量 自动化司 从图 4可知，当正 交 幅度 比 A G一 1，正交 相位 误 差 0，即幅度和相位趋 向平衡 时，P S P R很大；当 A G逐渐偏 离 1，正交相位误差 偏离 0，即幅度和相位 的不平 衡度增 大时，P S P R急剧下 降；当 A G+0 9，正交相 位误差 为 1 0 时，P S P R仅有 二十几 个 d B，边带泄漏 已非常严 重。显然，正交变频器对正交 调制 信号(包括 正交 本振 信号)幅度 和 相位平衡度 的要求非 常严 格。在实际 电路 中，A G的调节较为方便，通过严 格地调测 可 以使 A(1。但 由于现 有集成 电路 工艺 水平 的 限制 和 电路布线、布局 的影 响，把 正交 相位误 差 限制 在 2。以 内已 非常 困难。即在实 际电路 优化设计时，保证 P S P R 3 5 d B 比较 困难。3直 接正 交变 频发 射机 设 计 直接变 频发射机 的结构 如 图 5所 示。直接 变频 发 射 机 由直接正 交上变频调制器、高稳定度本 振和功 率放 大器 三部分组成。图 5 直 接 变 频发 射机 结 构 框 图 图 5中的 I 和 Q是二 路正交数字基带信号，由 D S P产 生，然 后 经过 高 速 双通 道 Tx DACAD9 7 6 0变 为 模 拟 I Q 信号。模拟 I Q 信号分 别通过 脉冲成 形 和抗码 问 干扰升 余弦根低通滤波器 后送 入直 接正 交上 变频 器 A D 8 3 4 6，被 直接涮制到射频 载波 上并送 入后级射频 功率放 大器放 大，最终通过 天线 辐射。A D 8 3 4 6是 A D I 公司推出的高性能调 制器，他将 9 0。移 相器、乘法器、合成器集成在一块硅片上，其载频范 围 0 8 2 5 GHz，边带抑制范 围在 1 9 GHz 达 到 一3 6 d B c(典型 值)，调制带宽高达 7 0 MHz ，供 电范 围 2 7 5 5 V。可典 型应用于数字信号产生 系统，Q P S K，G MA S K，Q A M 及频率 综合器等。电路工作原理为从 D S P得到 的 I、Q正交信号经过 高速 双通道 T)A C A D9 7 6 0变为模 拟 I Q 信号。模拟 I Q信 号 分别通过脉冲成形和抗码 问干扰升余 弦根低通滤波器后送 入直接正交上变频器 A D 8 3 4 6，被直接调制到射 频载波 上并 送入后级射频功率放大器放大，最终通过天线辐射。直接变频发射机 对无 用边 带和本 振 泄漏 的抑 制 能力 除 了与，(f)，Q(f)和(f)，。(f)信号 的相位 和幅度 的不 平衡度及其直流偏移有关外，还与 P C B的板材、电路 及其 参 数 的优化设 计、布 局、布线 等 因素有 很大 的关 系。为 了 抑 制无用边带和本振 泄漏，主要采取 了以下 几项优化 设计 措施。同时，调试时 的方法 也很 重要，更要仔细认真。(1)，(f)，Q(f)信号传输采用差 分线与交流耦合方式，消除 了，(f)，Q(f)信号之 间的直流偏 移误差。利用外 接线 性 可变 电阻器调节 AD9 7 6 0内两个 DAC的电流源 的电流 幅度 比，也就是 间接 调节 I(f)和 Q(f)信号 的幅度 比 A，以 此去补偿正交本振 信号的幅度 比 G的偏差，使 A G一 1，从 而减小正交 调制信号 和本振 信号 的幅度不平衡度 。由于 需要多 种调 制方式，我们 在 D S P里面 调用不 同的调 制程 序，但在调试 时，首 先用 连续 的正弦波 调试，同时，仔 细观 察频谱仪。(2)对正交相位误差 的校正 采取 的措施 是 DA C后 的 抗码 问干扰低 通滤波器 L P F选 用具 有很 好 的相位 和幅度 匹配特性配 对的集成电路。其次，I(f)和 Q(f)信 号 的布局 和布线 采 用 了对 称 或 差 分 结 构，基 本 上 可 以把，(f)和 Q(f)信号 的 正交相位误差 限制在 2。之 内。另外，AD 8 3 4 6 内的本振 信号分 相器也 存在一 定 的相位误 差，因此，在 电 路实 际调试 过程 中，可 以将两个 L P F的互 换，用正 交调制 信号 的相位误差对消正交本振信号 的相位误差。(3)由于本振输入信号和 R F输 出信 号的频率通 常都 很 高(1 5 7 5 MHz)，所 以，本振信 号输 入端采 用 了 5 0 Q微 带线 和传输 线变压器，以实现 阻抗 匹配和不平衡 与平衡 变 换；R F信号 的输出采 用 5 0 Q微 带线和 S MA接头，以实现 阻抗 匹配和射频信号接 口。4实 际测试 结 果 正交直接变频器 的测试 结果如 图 6所示。实际 设 计 时 正 交 直 接 上 变 频 器 我 们 采 用 载 波 为 1 5 7 5 4 2 MHz，同时兼 顾 多 种 调制 模 式。实 际 的 测试 结 果为边带抑制 比：一 3 8 d B c；载波泄漏：一3 6 d Bc；连接放大 器后 的测试结果如图 7所示。-1 0：3 3：5 1 J u l 6 2 0 0 5 l -b n J d 1 Rt t。5 dB “；P ea k 蚓 L0g 1 e n ua。Uod目 d B v S t e m R iJg nu 19 n N o a u Jre d t 0 Ha O f f s t 4 2 d B。06 1 L 0 。J 31 d j m 。c v l 1 S 2 l P r e s e I C t J S 3 F r P r e s e l H d J u l l Ce n t e,Re sf l 图 6 正 交 直 接 变频 器 的 测试 结 果 测 试结 果为：最 大输 出功率：3 7 5 d B ml 5 7 5 4 2 MHz；载波 泄 漏：一 3 2 d B c；边带抑 制 比：一3 5 d B c。(下 转 第 i 6 2页)】5 9 维普资讯 http:/ 周 延等：基于 TMS 3 2 O I F 2 4 0 7 A的 S VP WM 变频 系统的设计 时检测 电流、转速 和发 出 6 路 P WM 脉 冲在 D S P的定时器 中断服务子程序 中完成；串 口中断 同时定 期 的接收 一 k位机 的查询状态指令，这时 D S P通 过串 口发送 目前电机运转 的 信息如 目前实 际转速，以及 检测到 的定子 电流信息等。在 此程序中，串口对 D s P设定 的电机运 转命令 的大小 是 由主 设定和辅助设定来来完成 的。主设定 和辅助设定之 间的关 系是主设定与辅助设定 的和，是最终设 定在 电机运转程 序 中的给定。在这里，主设定是对 电机转速粗 略没定 的作用，辅助设定则起到的作用是细微 调节 的作用。这样的处理实 现设定速度与实 际所 测得 的转 速一致，以达到实现转 速精 确控制的 目的。主程序流程 图如 图 4 所示。4结 语 图 4 主程序流程 图 用 TMS 3 2 0 I F 2 4 0 7 A实现 S VP WM 的变频控制 系统，经过电压空间矢量 P WM 技术与 D S P技术 的结合，使 电动 机转矩脉 动降低，消除谐 波效果 比 S P WM 要好，可 以提 高 电压利用率。硬件 电路结 构简单，S V P WM 的实 现更加 方 便、准确，更接近于理想 正弦磁通 控制。采用 1台 鼠笼 式 异 步 电 动 机，参 数 为：额 定 功 率 1 5 k w，额 定 电 流 2 7 5 A，额 定 电压 2 2 0 V，额 定 转 速 l 5 0 0 r mh l。在空 载情况 下，相 电流非 常接 近 正弦波，实 现 r恒转 矩控制。当系统的转矩突然发 生变化 时，系统 的 转速、相 电流 响应 快 速，稳 态 误差 接 近 5 。通 过实 践应 用 证明，本 系统 具有 良好 的动 静态 性 能，结 构简单、可靠 性及控制精度高、响应速度 快，为 D S P在运 动控 制领域 的 应用打下 r基础。参考文献 r 1 l_ Te x a s l n s l r u me n t s TM$3 2 0 I F L(2 4 0 X DS P C o n t r o l l e r S Re f e r e n c e Gu i d e S y s t e m a n d P e r i p h e r a l s Z-U S A：C u s t o m Pr i nt i ng Comp an y，20 01 2 王潞刚 基 于 D S P的异步电动机 S VP WM 系统研究 D 广 州：广东工业大学，2 0 0 2 3 王晓明，王玲电动 机 的 D S P控制 一T I 公 司 D S P应 用 I-M 北京：北 京航空航天大学 出版社，2 0 0 4 4 江思敏 TMS 3 2 0 I F 2 4 0 x D S P硬件开发教程 I-M 北京：机 械 工业 出版社，2 0 0 3 5 虞东海，颜 钢锋 基 于 D S P的变频词速矢量控制 系统 J 电 气传动，2 0 0 3，3 3(4)：2 0 2 1，3 9 6 Us i n g C o n s l a n t V Hz P r i n c i p l e ：S p a c e V e c t o r P WM T e c h 2 n i q u e f o r A C I n d u c t i o n Mo t o r C o n t r o l wi t h C 2 4 0 R TI l nc M a r c h，1 9 9 9 作者简介 周 延 男，1 9 7 5年出生，辽 宁省抚顺市人，工程师。主要研 究方向为无线数据传输 系统应 用、模式识别、电力电子技术。(上 接 第 1 5 7页)一 q-_ 1 0：4 9：3 7 0 u l 6 2 0 f 5 1 Mk r 1 1 57 54 8 6 H !d B m 。目 ，y。一R Il 郇 N O W N“il r s w u e p l 2 ”r s m g 叫 i。d B _旦 D _ 聃e S，a a 0 1 I 器 f l Poi nt 4 0 L I C Reenst eBrH1t5日75k HG H -v BH k H s 口 5 p(4an l1口HtHs)z I seg-ent edf 5结 语 图 7连接 放 大 器后 的 测 试 结 果 从分析 可知正 交直 接变 频技术 对 调制信 号和本 振 信 号的正交性要求很高，对其 幅度 和相位失真非常敏感，如 1 6 2 果解决不好，将会引起严重 的边带 和本振泄 漏。本文通过 数学 模型定量分析 和仿 真了正 交 商接变 频技术 的调 制信 号 和载波信 号幅度和 相位 失真 与边带 和本 振泄 漏之 间的 关 系，并且 m实验 和经验提出了几项具体 的解决措 施。同 时正 交 直 接 变 频 技 术 可 用 于 发 射 AM，QAM，2 B P S K，QP S K 和 GS M，CDMA，WCDMA等多模 式信 号的小型化 发射机。该 发射机与传统发射机相 比，体 积和重量 大大减 小，非常适 合用于移动通信设备和微 小型武器 系统。参考文献 1 An a l o g D e v i c e s l n c AD 8 3,1 6 D a t a s h e e t s Z 2 0 0 4 2 An a l o g D e v i c e s I n c AD 9 7 6 0 D a t a s h e e t s Z 2 0 0 4 3 曹志刚，钱业牛 现代通信原理 M 北京：清华大学出版 社，i 9 9 2 4 邓华 Ma t l a b 通信仿真及应用实例详解 M 北京：人民邮 审 出 版 社 2 0 0 3 维普资讯 http:/