基于AD9957的正交上變頻發射機設計和仿真

劉天宇，付天暉，張 娜，張 丹

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

基于AD9957的正交上變頻發射機設計和仿真

劉天宇，付天暉，張 娜，張 丹

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

簡要介紹了射頻數字化短波發射機的基本原理以及AD9957芯片的主要功能，提出了一種利用AD9957芯片來實現射頻數字化短波發射機內部數字上變頻模塊和數/模轉換模塊的方案，并對軟件無線電通信中使用高效數字濾波器，即半帶濾波器和梳狀積分濾波器的性能進行了研究與分析，使用Matlab軟件對AD9957在短波發射機中的應用部分進行仿真分析，對每一個模塊的功能進行了實現。

AD9957；Matlab；短波；正交上變頻

0 引言

在數字化短波發射機中盡可能用數字信號處理代替傳統模擬信號處理的方法。隨著DSP、FPGA等硬件水平的提高，射頻數字化短波發射機已成為現實。AD9957是一種能完成正交上變頻和數/模轉換的專用芯片，本文將對AD9957在射頻數字化短波發射機中的應用運用Matlab進行仿真分析。

1 射頻數字化短波發射機原理

早期短波發射機都是模擬系統，音頻輸入信號經過SSB調制、多次混頻、濾波和放大，音頻信號才能搬移到射頻頻段。在射頻數字化短波發射機中，數字電路將代替大部分的模擬電路，輸入信號經過各種基帶調制，數字上變頻模塊將基帶信號搬移到短波發射頻段；DAC完成數字信號向模擬信號的轉變；模擬信號經過功率放大器和匹配網絡，最后由天線發射，如圖1所示。

圖1 射頻數字化短波發射機原理框圖

2 AD9957概述

AD9957芯片是ADI公司生產的通用數字正交上變頻器，它集成了一個高速、直接數字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer ，DDS)，一個高性能、高速的14 位DAC，時鐘乘法器電路，數字濾波器和其他DSP功能[1]。 AD9957有3種工作模式：正交數字上變頻(Quadrature Digital Up Converter ，QDUC)模式[2]、DAC內插模式和單音模式。QDUC模式將低速率的基帶信號插值濾波，然后與DDS 產生的本振信號進行正交上變頻[3]。DAC 插值模式只提高基帶信號的采樣率，不進行上變頻。單音模式利用芯片內部的DDS 產生單頻信號，此模式下，插值濾波器不工作。

利用AD9957的QDUC 模式[4-5]，可實現射頻數字化短波發射機內數字上變頻和數/模轉換部分。在QDUC 模式中，輸入信號為經過脈沖整形和正交分解的基帶信號，I路和Q路信號分別為基帶信號的同相分量和正交分量。數據分配器和格式器對I和Q進行解交錯處理，以便每個樣本沿著內部數據通路以并行方式傳輸。半帶濾波器和級聯梳狀積分(Cascad Comb Intergrator，CCI)濾波器對基帶信號進行內插濾波，分別使輸入信號的采樣率提高4倍和2～63倍。提高基帶信號采樣率的作用是能夠與DDS 內核產生的正交(正弦和余弦)本振信號相乘并相加，從而產生正交上變頻數據流。反CCI 濾波器和反SINC 濾波器分別對CCI 濾波器和DAC 產生的通帶幅度衰減進行補償。DAC可輸出高達400 MHz 模擬信號。QDUC 模式的功能框圖如圖2所示。

圖2 QDUC 模式功能框圖

3 設計與仿真

3.1 實現方案

首先利用Matlab語句將報文轉換成二進制數字代碼，碼元速率為1.2 kbps，采樣率為480 kHz，并利用滾降系數α為0.5 的根升余弦濾波器對其脈沖整形，產生BPSK 2路調制信號，即同相分量(I路)和正交分量(Q路)，由于BPSK無正交分量，所以Q(n)=0。然后將I、Q 2路信號通過PC傳輸給AD9957芯片，在芯片中利用半帶濾波器進行固定4倍插值濾波，CCI進行可編程的50倍插值濾波，總計完成200倍插值濾波，將采樣率提高至96 MHz，與DDS產生的頻率為8 MHz的載波信號完成正交上變頻。其中利用反CCI濾波器對CCI濾波器的帶寬進行補償，利用反SINC濾波器對數模轉換器的通帶內平坦性進行補償。最終輸出的信號經過功放模塊、匹配網絡模塊到達天線，由天線輻射出去。

3.2 信號產生

速率采用1 200 bit/s，基帶采樣率fs=480 kHz，所以采用4 000階，滾降系數為0.5，截止頻率為600 Hz，過渡帶為600 Hz的根升余弦濾波器進行脈沖成形濾波。利用Matlab進行仿真，結果如圖3所示，得到成形后的脈沖信號，從而降低了信號在傳輸中的出現誤碼的概率。

圖3 原始信號和脈沖成形后信號

3.3 內插濾波

為了完成正交上下變頻，基帶信號必須與DDS產生的載波信號有相同的采樣率[6-8]。首先要對基帶信號進行插“0”，以提高其采樣速率。例如D倍插“0”后，時域波形2個采樣點之間多了(D-1)個幅度為0的值，在頻域中，內插后的頻譜為原始序列頻譜經D倍壓縮后得到的譜,此時不僅含有原基帶頻譜,而且還出現了高頻鏡像頻譜。其次為了得到原基帶頻譜,則可以利用半帶濾波器或CIC(積分梳狀濾波器)濾除其高頻鏡像成分，在時域上的效果是原來內插的0點變成準確的內插值，時域分辨率大大提升[9-11]。

半帶濾波器只適用于2的冪次方的抽取或內插過程，一級半帶濾波器實現2倍插值濾波，從圖4可以看出2倍插值，頻譜進行了2倍壓縮，并出現了鏡像的高頻分量，圖5反映出通過半帶濾波器后，保留基帶頻譜。

圖4 2倍插值后信號波形及頻譜

圖5 通過半帶濾波器后信號波形及頻譜

CCI濾波器只適用于任意倍數的抽取或內插過程，從圖6可以看出50倍插值，頻譜進行了50倍壓縮，并出現了鏡像的高頻分量，圖7反映出通過CCI濾波器后，保留基帶頻譜。

圖6 50倍插值后信號波形及頻譜

圖7 通過CCI濾波器后信號波形及頻譜

3.4 補償濾波

3.4.1 反CCI 濾波器

由于CCI 濾波器[12-13]通帶不夠平坦，需要利用反CCI 濾波器進行補償。雖然不同內插值的CCI 濾波器頻譜不相同，但通帶內的衰減變化很小。因此可以用同一個反CCI 濾波器來使數據預失真，來補償工作于不同內插率值的CCI 濾波器通帶內的幅度衰減，這里使用ISOP 濾波器作為反CCI 濾波器。ISOP 濾波器的系統響應z域表達式為：

(1)

式中，D為內插值，仿真時取50；c為實數，一般取-6。ISOP 濾波器在低頻處補償了CCI 濾波器的通帶衰減。通過Matlab仿真得到圖8的結果，可以看出反CCI濾波器在通帶內對CCI濾波器進行了補償，拓寬了其通帶內的平坦性。

圖8 反CCI 濾波器幅頻響應和相頻響應

3.4.2 反SINC濾波器

由于DAC輸出信號固有的零階保持效應，使信號相當于經過了一個SINC 濾波器，信號頻率越大，衰減越明顯，在0.5倍DAC 采樣率處信號會出現3.92 dB 的衰減，這對平坦性要求較高的信號來說是不利的[14]。

AD9957中，反SINC濾波器對DAC器件產生的衰減進行補償，反SINC濾波器是具有1/sinc(x) 特性的濾波器，仿真得到如圖9結果，表明反SINC濾波對DAC在高頻處出現的衰減起到抑制作用。

圖9 反SINC 濾波器、DAC的頻率響應、 反SINC濾波器的補償效果

3.5 正交上變頻

相同正交上變頻[15]的時域數學表達式如下：

y(n)=I(n)cos(n·ωc/ωs)-Q(n)sin(n·ωc/ωs)，

式中,ωc為載波頻率，ωs為采樣角頻率。通過多相濾波器進行內插得到調制信號,采樣速率與載波采樣速率相一致,I(n)和Q(n)即是所謂的同相和正交2個分量。

AD9957中集成了DDS 模塊[16-17]，可以生成高達400 MHz的正弦/余弦信號。在 QDUC 模式下，DDS 則生成用于對 I/Q 基帶信號進行數字調制的正交載波信號[18]。仿真時使用正弦/余弦信號產生器代替即可。由圖10可以看出在采樣率為96 MHz的情況下，將基帶信號調制到頻率為8 MHz的載波上。

圖10 正交調制后信號及頻譜

4 結束語

通過運用Matlab軟件對該芯片實現正交上變頻每一模塊進行功能仿真，主要實現了AD9957的正交上變頻功能。由仿真結果可知AD9957降低了對信號處理的運算量，提高了對信號進行實時處理的效率，在短波范圍內實現零中頻調制。從而驗證了將AD9957應用于短發射機內的可行性，為硬件電路的設計與測試提供了理論支撐和參考依據。

[1] 葉 方,李一兵,呂 威.軟件無線電調制解調通用平臺的設計與實現[J].信息技術,2005(4):6-9.

[2] 李玉鼎,牛澎濤.基于AD9957的高速數字調制信號產生系統設計[J].咸寧學院學報，2011，31(12):61-63.

[3] 蓋鵬翱,鄭世剛.基于AD9957的通用數字調制器[J].微型機與應用，2013，32(02):23-26.

[4] 蓋鵬翱,趙 笛.CIC濾波器的原理及FPGA實現[J].無線通信技術，2005(04):52-55.

[5] 童亞欽,鄭世剛.一種數字中頻處理的高倍抽取濾波器設計[J].空間電子技術，2016,13(01):94-97.

[6] 郝建華,江修富,許 斌.正交調制解調算法在軟件無線電中的應用[J].航空電子技術,2005，36(02)：6-9.

[7] Thttlebee W.軟件無線電技術與實現[M].楊小牛，譯.北京:電子工業出版社,2004.

[8] 林華杰.軟件無線電理論及應用技術研究[D].西安：西北工業大學，2004.

[9] 王金龍.短波數字通信研究與實踐[M].北京：科學出版社，2012.

[10] 黃 薇.機載短波通信技術研究[J].電訊技術，2001(5):23-25.

[11] Analog Devices Inc.AD9957 Data Sheet[M].USA:Analog Devices Inc,2006.

[12] 樊昌信,張甫翊，徐炳祥,等.通信原理(第5版)[M].北京:國防工業出版社,2001.

[13] 劉國棟.基于AD9957的數字正交調制器設計[J].無線電工程，2009,39(12):59-60.

[14] 葉紅軍.基于AD9957 的偽衛星脈沖調制技術研究[J].無線電通信技術,2008,34(6):21-24.

[15] 李希彬.基于AD9957的數字上變頻電路的設計[J].電腦知識與技術，2012,8(29)：7117-7118.

[16] 周美麗,劉生春,白宗文.基于AD9957的雙通道高速數字調制信號源設計[J].國外電子元器件,2007(7):39-41.

[17] 曹 義，張山杉，李 飛.基于數字正交上變頻器AD9957的復雜信號產生單元[J].中國科技投資，2012(21):56.

[18] 黃進宏,鄧良松,李 煒.高速并行調制解調器中差錯控制方法[J].電訊技術，2005(3):35-38.

Design and Simulation of Orthogonal Up-conversion Transmitter Based on AD9957

LIU Tian-yu,FU Tian-hui,ZHANG Na,ZHANG Dan

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan Hubei 430033,China)

The basic principle of radio frequency digital short-wave transmitters and the main functions of the AD9957 chip are briefly introduced,a scheme of using AD9957 chip to realize the internal digital frequency up-conversion module and D/A conversion moduleof digital short-wave radio frequency transmitter is proposed,and the research and analysis on the performance of some efficient digital filtersi.e.half-band filter and comb filter used in the software radio communication are made.The simulation analysis of the application of AD9957 in the short-wave transmitteris made using Matlab software,and the function of each module is realized.

AD9957;Matlab;short wave;orthogonal up-conversion

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.19

劉天宇，付天暉，張 娜，等.基于AD9957的正交上變頻發射機設計和仿真 [J].無線電通信技術,2016,43(2):74-77.

2016-12-22

劉天宇(1993—),男，本科在讀，主要研究方向：短波通信。付天暉(1981—)，男，講師，主要研究方向：短波通信。

TN83

A

1003-3114(2017)02-74-4