低成本直接射頻正交調制無線發射機的新設計

陳 杰 尹應增

（西安電子科技大學天線與微波技術重點實驗室，陜西 西安710071）

引 言

通信系統的無線化趨勢日益明顯，使人們擺脫了繁復的線纜束縛，生活越來越簡潔、方便。例如WiFi、藍牙等無線技術實現了近距離通信的無線化。但人們的通信要求多種多樣，尤其在一些特殊場合，要求通信系統符合特殊的要求。這就要求通信系統具有較高的靈活性，便于修改升級，以適應不同場合的需要。軟件無線電技術是解決這一問題的最佳方法，其目的是將除天線外的所有處理數字化。但這種技術面臨著數字處理芯片速度和數模轉換器件帶寬的限制，成本較高也是一個重要問題［1］。因此，完全的軟件無線電技術的應用較為有限，僅限于研究領域。而在應用領域，伴隨著現場可編程門陣列（FPGA）和數字信號處理（DSP）技術的發展和應用，人們也正在研究各種方法以使通信系統的各種處理盡可能數字化。

近年來，無線通信發射機的軟件化和數字化一直是研究的熱點問題，出現了多種應用和實現方法。文獻［2－4］采用基于FPGA的直接數字頻率合成（DDS）技術，在衛星通信系統中實現了直接數字正交射頻調制。該方法是一種完全數字化的方法，對載波的相位控制和處理較為精準。但射頻DDS技術一般不能控制載波幅度，只適用于相移鍵控（PSK）調制，而且DDS芯片價格較高，所以應用受到限制。

傳統的正交調制法［5－6］應用廣泛，但該方案一般在中頻完成正交調制，再用混頻器將中頻信號上變頻到射頻載波，然后通過天線發射出去。和直接射頻DDS方法相比，該方案需要一個數模轉換器件、一個混頻器和一個正交調制器，結構和控制相對復雜。文獻［7］提出了一種基于勞倫特分解的連續正交相移鍵控（QPSK）調制的簡化接收機，文獻［8］研究了數字寬帶接收機的測向技術，但對發射機均未作研究。文獻［9－10］研究了擴頻序列的屬性估計問題，屬于寬帶接收機的數字化應用技術，對發射機也未作研究。

由于正交調制法應用廣泛，如何將這一方法軟件化和數字化并簡化結構成為研究的新課題。本文設計了一款直接射頻調制無線通信發射機。該發射機克服了傳統正交調制方案的缺點，將傳統方案盡可能的軟件化和數字化，實現了基帶數字信號對射頻載波的直接調制，結構簡單，成本更低，控制系統也得到簡化。系統以FPGA為核心，只包括一個數字鎖相環和一個調制器，沒有數模轉換器件和混頻器。系統的所有器件由FPGA協調工作。首先，上位機通過標準串口RS232發來指令信號，FPGA接收后對其處理、編碼并產生數字基帶信號。數字基帶信號再直接對射頻載波進行調制，調制后的信號通過天線發射出去。本設計采用的數字頻率振蕩器（NCO）控制技術能夠在系統老化或溫度變化時精準地對頻率進行控制，提高了系統的魯棒性［1］。

1 QPSK調制的數字實現

新設計采用QPSK調制，所以首先引入QPSK調制的理論基礎。

對載波信號，QPSK 已調信 號 第k 個碼元［5－6］可以表示為

式中：θk為受調制的相位，其值取決于基帶碼元的取值；A是信號振幅，為常數；ωc為載波角頻率；k＝1，2，3，4.

令式（1）中的A＝1并展開得

式中：

表1 QPSK信號的相位和I、Q信號對應關系表

式（3）和（4）中的ak、bk即為基帶Ik、Qk信號。對正交相移鍵控QPSK，它的每個碼元含有2bit的信息，現用ab表示這兩個比特。ab有00、01、10、11共4種組合。他們和相位θk之間的關系一般按雷格碼對應，相應的Ik、Qk（ak、bk）如表1所示，給出了A、B兩種編碼方式。

在實現設計時，實際的Ik（ak）和Qk（bk）的取值根據發射功率可以同比例放大或縮小并數字化。

2 直接射頻調制無線通信發射機的新設計

2.1 整體框架

新設計的整體框架如圖1所示。源信號來自上位機（PC），FPGA通過RS232接口先接收源信號，然后對其進行編碼和數據打包，并產生基帶數字信號。射頻部分包括NCO和射頻正交調制器。該發射機在FPGA和射頻部分之間未采用傳統方案中的數模轉換器件和混頻器，FPGA和射頻部分通過電容和電阻元件直接相連，實現了FPGA對射頻載波的直接調制。該方案結構簡單，成本更低，控制系統也得到簡化。

圖1 直接射頻調制無線通信發射機的新設計框架圖

2.2 系統工作的FPGA實現

系統工作時，FPGA通過RS232接口接收來自上位機PC的數據，并進行編碼、組幀和I、Q數據分路等數據處理，同時控制NCO芯片工作。系統所有的功能實現都在FPGA的控制下完成。

圖2是FPGA的軟件功能框圖，為了表述清晰，圖中示出了外圍器件。FPGA的軟件按功能分為五個模塊：串口數據發送和接收模塊、編碼和組幀模塊、基帶數據發送模塊、內部數字鎖相環（DPLL）、NCO配置模塊。各模塊的功能如下：

1）串口發送和接收模塊：接收上位機PC通過串口RS232發送來的信息并返回給上位機PC.

2）編碼、組幀模塊：對接收到的串口數據進行編碼，并加入同步信號、報頭和保護段等信息打包成幀.

3）基帶數據發送模塊：將幀數據信息碼元按表1轉換為并行I、Q信號輸出給調制器AD8345.

4）NCO配置模塊：此模塊完成對NCO芯片AD4360－7的配置功能，控制載波信號頻率。

圖2 FPGA軟件設計功能框圖

5）內部數字鎖相環（DPLL）：此模塊利用40 MHz的外部晶體振蕩器時鐘輸入，通過分頻和倍頻后為整個系統提供所需要的工作時鐘。

2.3 新設計I、Q路的簡化設計

圖3是直接射頻調制I、Q路設計電路圖，也就是圖1中電阻電容網絡的實現電路。其中圖3（a）為I路設計圖，圖3（b）為Q路設計圖。圖3（a）和圖3（b）的電阻、電容連接和取值對應相同。這里以圖3（a）為例分析。

如圖3（a）所示，I＋和I－分別連接到FPGA的一路低壓數字差分信號（LVDS）輸出的正端和負端。I＋和I－信號分別經過相同連結和取值的電容和電阻網絡后，和射頻調制器AD8345的I路輸入差分對IN＿I＋和IN＿I－連接。將I＋到IN＿I＋的電路稱為I＋路，將I－到IN＿I－的電路稱為I－路。I＋路和I－路是對稱的。當電路中有數字信號傳送時，FPGA的LVDS端口輸出數字電流信號，數字信號‘1’時其相當于恒流源，設其輸出的電流為常數C.由于I、Q路的數字信號的碼元速率高達2MHz，所以圖3（a）中的電容C1和C2在傳送數字信號時均相當于短路。下面首先討論直流偏置，然后討論電路中有信號時各支路的情況，最后討論差分對I＋、I－和差分對IN＿I＋、IN＿I－之間的關系。

1）直流偏置

這種情況相當于電路中沒有數字電流信號傳送時的工作狀態。

對IN＿I＋，其靜態工作電壓為

對IN＿I－，其靜態工作電壓為

圖3 直接射頻調制I、Q設計電路圖

由于R1＝R3，R2＝R4，所以

2）電路中有數字電流信號傳送時的工作原理

對IN＿I＋，當電路有電流C流過時，其工作電壓為

對IN＿I－，當電路有電流C流過時，其工作電壓為

式（8）和（9）中的“∥”表示并聯。

由于R1＝R3，R2＝R4，所以

3）差分對I＋、I－和差分對IN＿I＋IN＿I－之間的關系

對于LVDS信號，當輸出數字信號‘1’時，I＋有電流而I－無電流，此時IN＿I＋和IN＿I－之間的電壓為

對于LVDS信號，當輸出數字信號‘0’時，I＋無電流而I－有電流，此時IN＿I＋和IN＿I－之間的電壓為

設C＊（R1∥R2）＝D，則輸出的數字信號‘1’對應V1dif為D.而輸出的數字信號‘0’對應V0dif為－D.這樣就實現了數字電流到實數恒模正負電壓的轉換。調節電阻R1和R2的取值可以控制D的大小，以適應AD8345的輸入要求并盡可能做到終端匹配。然后FPGA的I路和Q路按表1輸出即可以實現對載波的正交調制。

3 設計驗證和分析

按照上述設計制作了電路板并進行測試。如圖4所示為本文設計的QPSK無線發射機實物圖。這里的FPGA芯片采用的是Altera公司的EP3C25E144C8N.電路板和上位機PC通過RS232串口進行通信，接口采用了max232電平轉換芯片。NCO采用芯片AD4360－7.AD4360－7是一款頻率合成和壓控振蕩器（VCO）集成于一體的芯片，工作頻率范圍為350～1 800MHz或175～900MHz可控。AD4360－7芯片內部有3個24位寄存器：R Counter、Control、N Counter，這3個寄存器配置芯片輸出載波信號的頻率，數字實時可控。FPGA采用串行外設接口（SPI）方式控制NCO的時鐘（CLK）端口、數據（DATA）端口、和使能（LE）端口，產生載波信號cos（wct）。正交調制器采用AD8345.正交調制器完成I、Q兩路載波信號的正交調制，將兩路調制信號相加后輸出。正交調制芯片AD8345工作于140～1 000MHz頻率范圍，內部有一個相位分割網絡，可將輸入的單路余弦本振信號分成兩路完全正交的信號用于正交調制。芯片具有非常好的相位精確度和幅度平衡性。

圖4 發射機實物圖

采用該無線發射機對上位機PC通過RS232發送來的信號進行調制、發射，然后在接收端接收、解碼，并上傳到PC機顯示。測試誤碼率時，為了方便對碼字計數，在發射端重復發送字母“A”。比較發射和接收的碼字計算誤碼率。實際工作時，發射端上位機的串口發射速率為9 600波特，FPGA輸出給AD8345的基帶數據速率為2MHz，接收端上傳到PC的串口接收速率為115 200波特，載波頻率280MHz.圖5是用示波器對AD8345輸入通道進行實測的信號。圖6是接收端接收到的碼字顯示圖。為了和傳統發射機［5］相比較，分別用傳統發射機和新設計的發射機發射信號，兩個發射機采用相同的編碼方法（漢明碼）、相同的調制方式（QPSK），在接收端用相同的接收機進行解碼。實測的誤碼率比較如圖7所示。在圖7中，‘新’表示新設計的發射機的實測數據，‘傳統’表示傳統發射機的實測數據。由圖7可以看到，新設計發射機的性能達到了傳統發射機的性能。但新設計實現了FPGA對射頻載波的直接調制，去掉了傳統方案中FPGA和射頻部分之間的數模轉換器和混頻器，結構簡單，成本更低，使傳統發射機的軟件化和數字化更進一步。

測試時，發射機的編碼采用了漢明碼，這是一種編碼增益較低的編碼方式，如果采用增益高的卷積碼或渦輪碼（Turbo），可以使誤碼率更低。而且，如果再對編碼后的數字信號進行數字擴頻，然后對射頻信號實施調制，則可以進一步改善誤碼率。因為新設計實現了FPGA對射頻信號的直接數字調制，上述的編碼和擴頻都可以直接在FPGA中通過修改FPGA的軟件完成，具有較大的靈活性和適應性。

圖7 新設計和傳統設計誤碼率實測比較

4 結 論

本文對無線通信發射機的軟件化和數字化做了研究。按照軟件無線電的“將無線通信系統盡可能軟件化和數字化”的發展趨勢研制了一種低成本的直接射頻調制無線發射機。該發射機克服了傳統發射機方案的缺點，FPGA和射頻部分直接相連，去掉了傳統方案中FPGA和射頻部分之間的數模轉換器和混頻器，實現了FPGA對射頻載波的直接調制，結構簡單，成本更低，控制系統也得到簡化。新設計秉承了軟件無線電靈活、移植性強、可重新配置的特點，可以滿足多種無線電通信需求。

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