《电子技术应用》

AD9957在射频数字化短波发射机中的应用和仿真分析

2016年电子技术应用第9期 作者:张 浩,王永斌,周安栋,付天晖
2016/11/9 14:28:00

  张  浩,王永斌,周安栋,付天晖

  (海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉430033)

  摘  要: 首先简要介绍了射频数字化短波发射机的基本原理以及AD9957芯片的主要功能,然后提出了一种利用AD9957芯片来实现射频数字化短波发射机内部数字上变频模块和数/模转换模块的方案,使用System View软件对AD9957在短波发射机中的应用进行仿真分析,最后给出了短波发射机中数字化部分的完整仿真电路图。

  关键词: AD9957;System View仿真;短波射频数字化

0 引言

  数字化短波发射机的设计思路是:尽可能让数/模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)靠近天线,尽可能用数字信号处理代替传统模拟信号处理的方法。随着DSP、FPGA等硬件水平的提高,射频数字化短波发射机已成为现实。本文将介绍一种能完成正交上变频和数/模转换的专用芯片——AD9957,并对AD9957在射频数字化短波发射机中的应用进行仿真分析。

1 射频数字化短波发射机原理

  早期短波发射机都是模拟系统,音频输入信号经过SSB调制、多次混频、滤波和放大,音频信号才能搬移到射频频段。在射频数字化短波发射机中,大部分模拟电路被数字电路代替,基带信号直接数字上变频模块至短波发射频段;DAC完成数字信号向模拟信号的转变;模拟信号经过功率放大器和匹配网络,最后由天线发射[1],如图 1所示。

图像 001.png

2 AD9957概述

  AD9957芯片是ADI公司生产的通用数字正交上变频器,它集成了一个高速、直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)、一个高性能、高速的14位DAC、时钟乘法器电路、数字滤波器和其他DSP功能[2]。AD9957有3种工作模式:正交数字上变频(Quadrature Digital Up Converter,QDUC)模式、DAC内插模式和单音模式。QDUC模式将低速率的基带信号插值滤波,然后与DDS产生的本振信号进行正交上变频。DAC插值模式只提高基带信号的采样率,不进行上变频。单音模式利用芯片内部的DDS产生单频信号,此模式下,插值滤波器不工作。

3 AD9957的应用

  利用AD9957的QDUC模式,可实现射频数字化短波发射机内数字上变频和数/模转换部分。

  3.1 QDUC模式

  在QDUC模式中,输入信号为经过脉冲整形和正交分解的基带信号,I路和Q路信号分别为基带信号的同相分量和正交分量。数据分配器和格式器对I和Q进行解交错处理,以便每个样本沿着内部数据通路以并行方式传输。半带滤波器和级联梳状积分(Cascad Comb Intergrator,CCI)滤波器对基带信号进行内插滤波,分别使输入信号的采样率提高4倍和2~63倍。提高基带信号采样率的作用是能够与DDS 内核产生的正交(正弦和余弦)本振信号相乘并相加,从而产生正交上变频数据流。反CCI滤波器和反SINC滤波器分别对CCI滤波器和DAC产生的通带幅度衰减进行补偿。DAC可输出高达400 MHz模拟信号。QDUC模式的功能框图[4]如图2。

图像 002.png

  3.2 仿真分析

  System View是美国ELANIX公司推出的,基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具[3]。利用System View,对AD9957在发射机内完成的功能进行仿真分析,输入信号码率为1.2 kb/s,首先使用滚降系数α为0.5的升余弦滤波器脉冲整形,基带信号采样率0.4 MHz;然后进行200倍内插滤波,与DDS产生的频率为8 MHz载波正交上变频;最后通过DAC仿真输出模拟信号。

  3.2.1 数字正交上变频

  AD9957功能之一是完成数字正交上变频,正交上变频的时域表达形式(为叙述方便,以下均采模拟形式)如下:

  QQ图片20161109143800.png

  式中,I(t)为基带信号的同相分量,Q(t)为正交分量。输入AD9957的I/Q信号形式不同,即可实现SSB、PSK、FSK等不同的调制方式。如果采用PSK进行仿真,PSK信号的一般表示为[5]:

  QQ图片20161109143803.png

  其中,an(t)是-1、+1,即发送二进制符号0时取-1,发送1时取+1。要实现正交上变频,只需要令:

  QQ图片20161109143806.png

  其中,QQ图片20161109143809.png

  AD9957中集成了DDS模块,可以生成高达400 MHz的正弦/余弦信号。在 QDUC模式下,DDS 则生成用于对I/Q基带信号进行数字调制的正交载波信号。仿真时使用正弦/余弦信号产生器代替即可。

  3.2.2 内插滤波

  为了完成正交上变频,基带信号必须与DDS产生的载波信号有相同的采样率。提高基带信号采样率需要首先进行内插“0”,例如2倍内插“0”后,时域波形每两个样点之间多了一个幅度为0的点,频域中表现为不仅有原始频谱,还出现了高频镜像频谱。为得到原始频谱,利用半带滤波器或者CCI滤波器可以滤除高频镜像部分。在时域上,效果是原来内插的0点变成了准确的内插值,时域分辨率大大提高。

  半带滤波器在多率信号处理中特别适合于实现D=2M倍的抽取或内插,而且计算效率高,实时性强。AD9957中,采用了两个半带滤波器级联,可以将基带信号采样率提高4倍。

  半带滤波器是特殊的FIR滤波器,其频率响应H(ejw) 满足以下关系:

  QQ图片20161109143813.png

  由上式可知,半带滤波器的阻带宽度(π-ωA)与通带宽度(ωC)相等,且通带阻带波纹也相等,如图3所示。

图像 003.png

  半带滤波器只适用于2的幂次方的内插过程,如果内插值不是2的幂次方,则可以使用CCI滤波器。

  单级CCI滤波器的系统响应z域表达式为:

  QQ图片20161109143817.png

  式中,D是内插值,H1(z)=1-z-D,H2(z)=(1-z-1)-1。由公式可知,CCI滤波器由两部分组成,H1(z)梳状滤波器和H2(z)积分器,它们的关系是级联。如果单级CCI滤波器旁瓣电平衰减不够,可采用多级CCI级联。AD9957中采用了5级可编程CCI滤波器,可实现2至63倍内插滤波。本次仿真中,基带信号通过CCI滤波器,采样率提高50倍。

  3.2.3 补偿滤波

  (1)反CCI滤波器

  CCI滤波器通带存在细微衰减梯度,需要反CCI滤波器进行补偿。虽然不同内插值的CCI滤波器频谱不相同,但通带内的衰减变化很小。因此我们可以用同一个反CCI滤波器来使数据预失真,来补偿工作于不同内插率值的CCI滤波器通带内的幅度衰减,这里使用ISOP滤波器作为反CCI滤波器。

  ISOP滤波器的系统响应z域表达式为[6]:

  QQ图片20161109143821.png

  其中,D是内插值,仿真时取50;c是实数,一般取-6。

  ISOP滤波器和CCI滤波器的频率响应如图 4,ISOP滤波器在低频处补偿了CCI滤波器的通带衰减。

图像 004.png

  (2)反SINC滤波器

  由于DAC 输出信号固有的零阶保持效应,使信号相当于经过了一个SINC滤波器,信号频率越大,衰减越明显,在0.5倍DAC采样率处信号会出现3.92 dB的衰减。在时域上,DAC对输出信号的影响表现为频率越高,幅度衰减越大,这对平坦性要求较高的信号来说是不利的。

  AD9957中,反SINC 滤波器对DAC器件产生的衰减进行补偿,反SINC滤波器是具有1/sinc(x)特性的滤波器。在System View中自定义设计了反SINC滤波器,前5阶系数如下:-1.633 993 436 637 42×10-2、2.342 239 004 216 98×10-3、1.002 841 190 904 22×10-2、1.540 253 066 170 49×10-2、1.162 439 539 218 86×10-2,如图 5所示。图6显示反SINC滤波器对DAC产生的通带衰落的修正效果。

图像 005.png

图像 006.png

  3.3 整体仿真电路

  射频数字化短波发射机数字化部分的System View完整仿真电路如图 7。需要特别说明的是,仿真电路中使用ADC的目的是完成串/并变换,以便于与DAC对接,在AD9957结构中并不存在。

图像 007.png

4 结论

  目前主流硬件仿真软件均没有AD9957元件库,通过对该芯片进行功能仿真,实现了AD9957的主要功能,并以此构建了完整的射频数字化短波发射机数字部分的仿真电路图。验证了将AD9957应用于短波发射机内的可行性,为硬件电路的设计与测试提供了理论支撑和参考依据。

  参考文献

  [1] 王金龙.短波数字通信研究与实践[M].北京:科学出版社,2012:280-283.

  [2] AD9957 Data Sheet.Analog Devices,Inc.2006.

  [3] SystemView[EB/OL].(2016.2.1).http://baike.baidu.com/.

  [4] 刘国栋.基于AD9957的数字正交调制器设计[J].无线电工程,2009,39(12):59-60.

  [5] 楼才义,徐建良,杨小牛.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2014. 

  [6] 杨勋.软件无线电中上下变频技术的设计和实现[D].西安:西安电子科技大学,2007.


  

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