基于AD8346的通用通信信号发生器

基于AD8346的通用通信信号发生器

1 引言
    通信信号发生器是电磁环境仿真模拟、通信系统设计中的重要部分，也是通信与通信对抗系统研究的基本要素。传统的通信信号发生器通常由硬件电路模块组成。但该通信信号发生器存在硬件规模大、资金投入多、不易扩展等缺点；扩展系统功能时，往往只能通过更改硬件电路实现信号发生器升级，因而传统通信信号发生器无法适用现代系统开发和电磁环境构建的需求。
    “软件无线电”利用硬件电路提供信号的基本通路，通过软件编程实现传统无线电系统的收发功能，同时可通过更改软件，少量改动硬件电路实现系统功能扩展，这种借鉴“软件无线电”的设计思想，利用软件设计与基本硬件电路相结合的设计方案，为实现常规窄带通信的信号发生器设计提供一种新思路。

2 通用通信信号发生器
    通用通信信号发生器通过软件定义调制信号的调制样式和调制参数，经软件运算产生相应的数据，由这些数据通过硬件电路产生具体的调制波形。信号发生器的“通用性”为：系统结构的通用性，硬件系统的通用性和软件模块的通
用性。图l为信号发生器的原理框图。

    话音、图像、传真、数据等基带信号在计算机中经软件编程进行适当转换，生成相对一致的数据格式，并在控制信号的作用下发送至计算机端口。计算机端口外接信号发生及中频调制硬件模块，处理计算机端口发送的数据，生成中频信号。中频模拟信号再经中频放大，混频及高频放大，用射频调制信号发送。这种射频调制信号包含基带的话音、图像、传真、数据等信息，即为通信信号。
    系统硬件设计为生成所需调制信号，同时也要避免大量的电路堆积，应用“软件无线电”的设计思想，直接对包含载频信息的数据进行D／A转换，转换为已调信号。但是，对于包含载频信息的已调信号来说，根据采样定理，如果要有效生成已调信号，则要求计算机总线接口的传输速率相当大，需要较高的硬件性能，且控制复杂。

3 正交调制法的应用
    理想情况下，运用“软件无线电”的思想，计算机通过运算产生任意通信信号的采样值，通过D／A转换后生成所需的任意调制通信信号。但在通信信号带宽较宽的情况下，直接产生射频信号所需数据量巨大，这是普通计算机的主频、总线传输速度与外设接口的数据传输速率所不能承担的，而且大量高速的数据传输和控制也增加了相应控制电路设计成本和难度，因此“软件无线电“方法在现实中不可取。大量数据的来源是对载频信号的采样量。而基带信号本身的采样量远远小于载频信号采样量，因此计算机能够实时处理。把表征基带信号的一些特征通过软件运算生成采样值，通过D／A转换与载频结合就可产生所需的已调通信信号，这样就可避免由于对载频信号采样而产生大量数据以及相应的复杂控制。为此，可采用正交调制法。
    将正交调制法运用于通用通信信号发生器的中频调制模块，设计框图如图2所示。

    图中，计算机通过软件计算生成表征基带信号的I、O串行数据。由双通道发送D／A转换器分离以后的I、Q分别转换成模拟信号，I、Q模拟信号经正交调制器与本地振荡器正交相乘生成射频(中间)信号，再经下变频生成所需窄带通信信号。系统中，双通道发送D／A转换选用10位，40 MS／s的双通道发射AD9761。

4 AD8346在通信信号发生器中的应用
    AD8346用于0．8～2．5 GHz的射频正交调制，可广泛应用于数字扩频通信系统、蜂窝传输系统、无线局域网络、OPSK、GMSK、QAM、SSB调制器、频率同步等领域。
4．1 AD8346简介
    AD8346可调制的基带信号带宽为直流到70 MHz。单端2．7~5．5 V供电，静态工作状态下电流值为45 mA，休眠状态下电流仅为lμA。该器件具有较高精度，在1．9 GHz时，正交均方误差仅为l°，I／Q幅度平衡仅为0．2 dB。其优秀的相位精度和幅度平衡特性使其可直接将信号调制到射频。
    从电路功能考虑，AD8346可分为本振接口、混频器、电压到电流转换器、差分到单端转换器和偏置电路等部分，其内部功能构成如图3所示。

    其中，本地振荡接口部分通常接收来自LOIN、LOIP输入端的外接差分输入，也可由单端驱动。本地振荡接口部分包括分相器和缓冲放大器。其中，分相器由电阻和电容回路构成，将输入的L0本振信号分为精确正交的I、Q两路振荡信号，驱动两个正交的混频器。每个通路的信号通过缓冲放大器补偿信号的幅频衰落并分别通过一个单相网络增强正交精确度。在正交混频器中，一路振荡信号和由IBBP、IBBN馈入的I通道信号相乘，另一路相差90°的振荡信号和由QBBP、QBBN馈入的Q通道信号相乘。两个正交混频器的输出则通过差分一单转换器输出阻抗50 Ω。IBBP、IBBN、QBBP、QBBN的输入则经电压至电流转换器，将基带的电压信号转换成电流，然后送入混频器。
4．2 AD8346在中频调制模块中的应用
    根据图2的中频调制模块结构图，在通用通信信号发生器中频调制模块中，双通道D／A转换器与正交调制器共同生成射频信号。在设计中，正交调制器AD8346与双通道D／A转换器AD976l相配合能满足正交调制的设计需求。

AD976l与AD8346同将计算机软件产生的基带I、O串行数据生成中心频率为周定频率的射频调制信号，其连接关系如图4所示。AD9761在控制数据的作用下接收来自计算机生成的基带I、Q串行数据，在其内部分离I、Q数据，使其进行D／A转换，分别产生I、Q的模拟信号。其模拟信号经电阻和电容构成的交流耦合电路后送入正交调制器AD8346，在其中与LOIP、LOIN馈入的本振信号正交相乘，最后将正交相乘后的两路信号合成为调制在本振频率上的已凋信号。

    电路中，为减少额外的输入信号损耗，直流偏置电路应尽可能保证I通道和Q通道的输入信号彼此一致，偏置电路的设置使每一个通道的偏置电压约为1．2 V。为此，使用2．43Ω电阻其精度应为0．1％或更高，而偏置电路和交流耦合电路的作用可使A：D8346从AD9761获取2 V峰峰值的差分信号输入，基本无电压损耗。

5 分析讨论
    采用图4电路产生中心频率固定的射频信号，当调整本地振荡频率时，射频信号的中心频率可在O．8～2．5 GHz的范围变化。AD8346后接下变频网络，通过改变下变频本振，产生所需的短波和超短波通信信号，而且易于实现滤波器特性。
    AD8346与AD9761采用直流耦合的方式连接。通过偏置电路，可使AD8346的输入几乎无电压损耗，并以差分输入获得近似于AD9761峰峰值电压2 V，同时，也避免引入额外的电压偏移，对I和Q通道之间输入电压的精度要求不高。但是对元器件的选择要求较高，图中的2．43 kΩ电阻要求有0．1％以上的精度，对于元器件的选择要求较严格。
    由于AD9761是模拟和数字混合电路器件，因此在电路布局时应注意模拟电路地线和数字电路地线的设置和连接。一般情况下，模拟电路地线和数字电路地线应尽可能短并设置为一点连接，避免引入不必要的噪声而影响模拟电路，降低系统性能。AD8346在通用通信信号发生器中可产生常规的窄带通信信号。若要产生扩频等宽带通信信号，则需在该电路基础扩展信道编码的功能。

6 结语
    通信信号发生器是电磁环境仿真与模拟、通信系统设计中的重要环节，也是通信与通信对抗系统研究的基本要素。借鉴“软件无线电”的设计思想，利用软件生成的数据与基本的硬件框架相结合，通过基本硬件电路在软件编程的控制下生成所需的常规窄带通信信号是对通信信号发生器设计的有益探索。该系统设计利用正交调制原理，双通道D／A转换器与正交调制器相结合为信号发生器提供核心的硬件框架，体现了信号发生器的“通用性”要求。该系统可相应的在软件模块下产生不同调制样式、调制参数的通信信号。