模擬與數字信號的正交調制原理與實現

武漢中原電子集團有限公司　張　軍

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模擬與數字信號的正交調制原理與實現

武漢中原電子集團有限公司張軍

正交調制技術是軟件無線電體系中的關鍵技術之一。本文在分析正交調制基本原理的基礎上，介紹了模擬調制與數字調制的正交分解方法和基于AD9364平臺的通用正交調制方案，為多模式調制設計提供借鑒。

軟件無線電；正交調制；AD9364

1　引言

軟件無線電是現代通信技術的重要研究領域和發展方向，其基本設計思想是搭建一個通用的硬件平臺，在此硬件平臺上通過加載各種軟件來實現無線電系統的功能。在軟件無線電技術體系中，關鍵技術之一是正交調制技術。所謂正交調制，又稱為IQ調制，是指用基帶信號的同相分量和正交分量分別調制兩路正交的載波信號后相加來實現已調信號的調制技術。該調制技術能實現將硬件平臺與基帶成型相對獨立，便于用FPGA處理基帶信號，以實現多模式調制，因而在現代通信系統中得到廣泛采用。

本文首先分析了正交調制的基本原理，然后具體介紹了模擬和數字信號的正交分解方法，最后介紹了一種基于AD9364平臺的通用正交調制方案，為多模式調制設計提供借鑒。

2　正交調制基本原理

對于已調射頻信號，其波形可表示為：

它由振幅A（t）、載頻fc（t）和相位ψ（t）定義，其中，A（t）、ψ（t）表征基帶信號特征。將式（2-1）展開得：

令

可得：

由式（2-5）可以看出，信號S（t）的波形可由完備的兩個歸一化正交函數的線性組合構成，此兩個歸一正交基函數f1（t）與f2（t）為

由此，我們便可得到信號S（t）的矢量表示，如式（2-7）所示。

其中，I（t）與Q（t）是基帶信號A（t）的同相與正交分量，

于是，已調信號S（t）可以看作是基帶信號I（t）和Q（t）分別調制相差90°的載波cos（2πfct）和-sin（2πfct）的信號和。可見，任何一種信號調制可用正交調制實現。

3　模擬與數字信號的正交調制

3.1調幅（AM）信號的正交調制

調幅是用調制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調制信號的規律而變化的調制方式。標準AM信號的時域表達式如式（3-1）示。

3.2調頻（FM）信號的正交調制

調頻是用調制信號去控制高頻載波的頻率，使高頻載波的頻率按調制信號的規律變化而振幅保持恒定的調制方式。調頻信號的時域表達式如式（3-3）所示。

設調制信號m（t）=Amcos?mt，則式（2-3）可進一步分解為

此時，令

可得FM信號正交調制表達式：

3.3調相（PM）信號的正交調制

調相是用調制信號去控制高頻載波的相位，使高頻載波的相位按調制信號的規律變化而振幅保持恒定的調制方式。調相信號的時域表達式如式（3-7）所示。

設調制信號m（t）=Amcos?mt，則式（3-7）可進一步分解為

同理，令

可得PM信號正交調制表達式：

3.4M進制振幅鍵控信號的正交調制

在M進制振幅鍵控（MASK）調制中，在M進制符號間隔內，M進制振幅鍵控信號的載波振幅是M個可能的離散電平之一，。其中每個電平對應于K個二進制符號。

MASK信號的時域表達式如式（3-11）所示。

式中，Ts=KTb表示M進制符號間隔，Tb為二進制符號間隔。

由式（3-11）可得，MASK信號正交調制的I、Q兩路信號分別為：

3.5M進制移頻鍵控信號的正交調制

在M進制移頻鍵控（MFSK）調制中，在M進制符號間隔Ts內，已調信號的載波頻率是M個可能的離散值之一，其中每個載頻對應于K個二進制符號。

MFSK信號表示式如式（3-13）所示。

展開得：

同理的MFSK信號正交調制的I、Q兩路信號分別為：

結合式（3-14），可得MFSK信號正交調制表達式：

3.6M進制移相鍵控信號的正交調制

在M進制移相鍵控（MPSK）調制中，在M進制符號間隔內，已調信號的載波相位是M個可能的離散相位之一，其中每個載波相位對應于K個二進制符號。

MPSK信號表示式如式（3-16）所示。

展開得到

此時，令

可得MPSK信號正交調制表達式：

4　基于AD9364的正交調制硬件平臺設計

4.1正交調制器原理方案

基于上述正交調制模型的分析，設計通用正交調制方案，其原理框圖如圖1所示。

圖1　正交調制器原理框圖

從圖1可以看到，基帶信號經串并變換或映射處理轉換成I、Q兩路送入正交調制器，正交調制器通過成形濾波、數模轉換、模擬基帶濾波等，將兩路信號轉換成模擬信號，并與LO輸出的正交載波相乘后相加，生成已調射頻信號。通過控制LO頻率，便可得到不同頻率的調制信號。

4.2基于AD9364的硬件平臺設計

基于上述通用方案構想，考慮到調制器小型化、可編程、外圍電路簡單的發展趨勢，硬件平臺核心電路采用FPGA+AD9364的架構。架構原理框圖如圖2所示。

AD9364是一款高性能、高集成度RF捷變收發器。該器件的可編程性和寬帶能力使其成為多種收發器應用的理想選擇。該器件集RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供可配置數字接口，從而簡化設計導入。

其主要特征包括：1）集成12位DAC和ADC的RF 1×1收發器；2）頻段：70MHz至6.0GHz ；3）可調諧通道帶寬：＜200kHz至56MHz；4）雙通道接收器：6路差分或12路單端輸入；5）出色的接收器靈敏度，噪聲系數小于2.5dB；6）可編程速率的內插濾波器。

圖2　基于AD9364硬件平臺架構

從圖2可以看到，模擬信號經過模數轉換后送至FPGA，而數字信號直接送至FPGA，FPGA根據設定的調制類型，對數據進行編碼、映射等處理，形成數字基帶信號，然后將數字基帶信號送至正交調制器AD9364，AD9364根據需要對I、Q兩路基帶信號進行數字濾波及插值處理，以匹配數字載波數率。插值后，兩路數字基帶信號經過數模轉換、模擬基帶濾波器，與正交的兩路載波信號相乘后求和，產生已調射頻信號，完成信號的正交調制。

根據AD9364器件資料，AD9364內部集成VCO，可實現70MHz至6.0GHz頻率輸出，涵蓋大部分特許執照和免執照頻段，且器件外圍電路簡單，編程應用豐富。可見，采用FPGA+AD9364的架構，可以容易實現滿足模擬與數字信號正交調制需求的通用正交調制平臺。

5　結束語

本文在分析模擬與數字信號正交調制原理的基礎上，提出的基于AD9364的通用正交調制平臺，可實現實現70 MHz至6.0 GHz頻率輸出，且該平臺采用FPGA控制，可以靈活地實現多模式調制，從而滿足大多數軟件無線電平臺的應用需求。

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The principle and implementation of quadrature modulation of analog and digital signals

Zhang Jun
（Wuhan Zhongyuan Electronics Group CO.，LTD.）

Quadrature modulation technology is one of the key technologies in software radio system.This paper introduces the orthogonal decomposition method of analog and digital modulation and general quadrature modulation scheme based on AD9364 platform，on the basis of analyzing the basic principle of quadrature modulation，to provide reference for the design of multi-mode modulation.

Software Defined Radio；Quadrature modulation；AD9364