高速数模转换芯片AD9122在数字中频发射机中的应用.docx
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高速数模转换芯片AD9122在数字中频发射机中的应用
高速数模转换芯片AD9122在数字中频发射机中的应用
作者:
丁照雨黄明张轩马栋梁李国诚
来源:
《工业技术创新》2018年第03期
摘要:
根据高速模数调制芯片AD9122的工作原理及使用方法,结合通信领域最新技术对信号宽带、信号高采样速率等指标需求,探讨了其在数字中频发射机中的合理应用模式;以数字中频发射机为应用实例,进行AD9122典型应用的实际测量与过程分析,并提出系统设计方案。
经实验证明,此数字中频发射机设计方案带来了性能提升,对高速数字调制工作具有较高的实用性和参考价值。
关键词:
数字中频;数字上变频;高速模数调制芯片AD9122
中图分类号:
TN92
文献标识码:
A
文章编号:
2095-8412(2018)03-035-07
引言
发射机是通信系统中的关键部件,但在传统的发射机设计方案中,存在硬件结构过于复杂和系统灵活性较差等问题,不利于系统的后续升级和优化工作。
随着通信技术及集成芯片的发展,其宽带和高速率信号采样的需求可使发射机从原来的超外差模拟逐渐过渡到数字中频模拟,使得原普通D/A转换芯片不再满足宽带和调制的要求[1-4],还存在其他缺陷。
本研究课题基于FPGA硬件处理平台,提出一种以高速数字调制芯片AD9122为媒介的数字中频发射机方案。
该方案充分利用了软件无线电和数字信号处理的相关技术,利用软件设计,处理基带到射频的信号。
相较传统实现方案,具有提高信号采样率、增加信号带宽和简化发射机结构等优势。
1系统方案的理论分析
1.1数字中频发射机与传统发射机的区别
在传统发射机中,首先通过传统DAC将基带已调两路I/Q信号转换为中频的模拟信号;再通过模拟的正交调制和模拟上变频后得到发射端所需的射频信号:
然后经过功率放大器处理,增大其功率;最后经过天线发射出去,实现方案如图l所示[5,6]。
此种设计方案虽然结构简单,但是存在的缺陷也同样无法避免。
首先,其中的模拟电路可编程性差,搭好链路后就很难再做出更改调整;其次,由于模拟器件的一致性难保障,不同期间可能导致I/Q信号相位不平衡,需要补偿;再者,由于模拟器件所固有的非线性,所带来的非线性失真将有可能会严重影响整个系统的稳定性[7]。
针对传统发射机方案的不足之处,优化的关键在于如何尽可能地削减电路的模拟实现部分,解决过多依赖模拟器件的弊端,实现更加灵活准确的数字调制。
在本文中,设计了一套基于高速模数调制芯片AD9122的数字中频发射机的应用方案,此套方案通过AD9122内部所设计的插值滤波器模块、预调制模块和NCO混频模块将I/Q两路数字基带信号调制到中频,再经过数模转换成为一个模拟的中频信号,最后通过混频器上变频得到射频信号,其流程图如图2所示[8]。
其中,数字基带调制模块由FPGA构建;中频调制模块由AD9122构建;射频部分由抗混频滤波器、正交模拟调制器、功率放大器和天线组成。
该方案能增加信号带宽、提高频谱利用率、增强镜像抑制[9]。
1.2AD9122功能应用
AD9122是ADI公司针对CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA及WIMAX等3G基站多载波发射应用推出的一款高性能数字调制芯片,适用于构建成本低廉、设计灵活的数字中频模块[10]。
AD9122具备双通道、16位、高动态范围的数字调制DAC,可提供1200Msps采样速率,可达到多载波无线和宽带通信设备所需的高数据速率和复杂调制要求。
它能直接优化变频传输应用,包括复数字调制以及增益/失调补偿等方面。
其DAC输出经过匹配滤波,可以与模拟正交调制器无缝对接。
AD9A22内部工作原理如图3所示,其数字处理路径为:
信号依次经过预调制模块、HB1插值滤波器、NCO的正交调制、HB2插值滤波器、HB3插值滤波器、相位和失调调整,最后经反sinc滤波器输出。
AD9122内部的两路数据路径和双DAC结构很容易与通用正交调制器连接。
与普通的DAC相比,AD9122的速度和性能支持更高带宽与更多载波合成。
此外,它创新地内置一个低功耗32位复数NCO,大大简化频率设置。
其双路数据路径的输入数字信号为I和Q可作为两路独立数据流,也可作為正交数据流,实现正交调制。
2AD9122在数字中频发射机中的设计实现
2.1AD9122在数字中频发射机中的AM典型应用
在硬件平台上设计中频发射机方案,实现一个典型的数字AM调制:
假设信息源为速率200kbps字信号,被5MHz载频数字调制到中频,再以AM方式调制到中心载频250MHz。
具体实现流程如下:
首先在基带处理模块通过FPGA把200kbps数据间隔一分为二形成两路调制基带信号,被5MHz载频数字调制到中频I/Q两路。
一路信号描述为:
频率为100kbps的数字正弦波加上直流偏置,乘以5MHz的余弦波,另路描述为:
频率为100kbps的数字正弦波加上直流偏置,乘以5MHz的正弦波;由此得到中频双路信号I/Q,发送到AD9122数字中频模块,AD9122将此双路信号调制成输出中心载频为250MHz的AM调制波。
典型功能配置的要求如表1所示。
2.2典型AM调制应用的可行性分析
通过表1获得已知条件如下:
FPGA进入AD9122的数据速率fDATA=150Mbps;经过AD9122后的输出结果:
中心载频fcenter为250MHz。
系统所需的频移=输出信号中心频率一输入信号载频,即
250MHz-5MHz=245MHz
(1)
其中,预调制模块提供频移75MHz,三个H插值滤波器提供频移fout为150MHz,NCO调制模块提供频移20MHz,三部分频移相加,完成所需要的频移为
75MHz+150MHz+20MHz=245MHz
(2)
插值滤波器搬移fout与数据速率fDATE的比值为
FPGA提供给中频调制模块信号的带宽为fBWI=200KHz,fBW>fBWI,所以信号可以通过插值滤波器传输。
图5显示了信号如何通过插值滤波器进行传播。
其中
fIN1=fDATA=150MHz
(5)
信号经过预调制和插值濾波器HB1,频率为
75MHz+150MHz=1.5·fIN1
(6)
之后的HB1和HB2只起到滤波作用,不对信号进行调制。
但由于
2×fIN1=fIN2
(7)
且
2×fIN2=fIN3(8)
因此进入各后续级的信号频率似乎缩小1/2。
输出信号频段为
fcenter±100KHz=249.9MHz~250.1MHz
(9)
是fIN3=600MHz的0.4165-0.4169。
信号所在的滤波器模式支持的输出频率为600×0.45=270MHz至600×0.05=30MHz,涵盖所需的以250MHz为中心的200KHz带宽,满足信号输出条件。
2.3AD9122配置过程分析
章节2.2从理论论证了方案的可行性。
下面对方案中AD9122配置过程进行分析。
使用FPGA对AD9122进行参数配置,接口采用四线的SPI模式,分别为SCLK、CS、SDIO和SDO。
其中SDO用于数据输出,SDIO为单方向模式,用于数据输入。
图6为整个模式的配置流程,表2为所涉及到的寄存器参数配置。
3AD9122典型应用的实际测量与过程分析
通过示波器的实测情况介绍AD9122信号处理单元,并通过逐步调试证实该电路可以在数字中频发射机中正常工作。
3.1输入信号
从FPGA进入AD9122的信号如图7所示,载频为5MHz,调制信号频率为100kHz的AM调制波。
3.2预调制
半带插值滤波器具有可选的通带,中心频率能以输入数据速率fDATE的一半为增量移动。
在本例中数据源为数据速率为150Msps、频率为5MHz的已调波。
所以经过预调制后的频率fCENTER1为
3.3插值滤波器
发射路径包括三个插值滤波器,各插值滤波器都将输出数据速率提高2倍。
这些半带(HB)滤波器可以分别进行旁路或级联,以提供1倍、2倍、4倍或8倍的插值比。
结合预调制75MHz的频谱搬移,示波器结果如图9所示。
根据理论推导,计算公式为
fCARRIER2=5+75+fDATE=80+150=230MHz
(11)
3.4NCO调制
数字正交调制器包括数字控制振荡器、移相器和复数调制器,通过一个可编程载波信号调制输入信号。
结合数字调制器提供的精调制、与插值滤波器和预调制模块提供的粗调制,能够以极高的频率分辨率将信号置于输出频谱中的任何位置。
NCO工作频率值fNCO等于fDAA(旁路HB1)或2倍fDAA(使能HB1)。
频率偏移设置范围是DC至fNCO。
频率调谐字(FTW)的计算方法为
fNCO=2×fDATE=300MHz
(12)
fcNOO=fout-fCARRIER2=250-230=20MHz
(13)
求出FTW寄存器的值为
配置完成后,示波器结果如图10所示。
4AD9122应用中关注点
AD9122在使用中,应该注意以下几个问题:
(1)AD9122既可以实现实数调制也可以进行复数调制,使用时需要根据实际情况来选择调制方式。
(2)PLLVCO的有效工作范围大致为1.0GHz~2.1GHz。
可以通过读取OXOE寄存器获得VCO状态,判断出VCO是否工作在有效工作范围。
(3)在实测时出现如图11(左)结果,原因是LVDS数据接口的采样时钟为FPGA提供给AD9122的随路跟踪时钟,其边沿未能位于数据眼图的中心范围。
调整DAC的内部延时DCIDELAY后,接口时序修改正确,如图11(右)所示。
(4)在芯片的电源接口端,电源杂散混入到有用信号中,会在输出信号端产生噪声。
需要加入适当的滤波电容,具体可采用不同容量电容值的并联,以滤除电源杂散。
(5)AD9122的数据流变换中,P和N的差分输入作为输入数据,到内部后合成一路信号,并在flame信号的控制下被分成I和Q两个支路信号,再经由数字处理单元,完成调制过程。
5结束语
本文提出了一种基于AD9122高速数模转换芯片的数字中频发射机实现方案,通过与传统模拟发射机实现方案的对比,论证了此方案的优势所在,并在理论和实现两方面验证了该方案的可行性。
参考文献
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[10]AnalogDeviceInc.AD9122Datasheet[Z].,2011
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