一種工程化適用的高精度數(shù)控矢量調(diào)制器設計

文/王乾

1 引言

為了適應現(xiàn)代通信系統(tǒng)的應用需求，世界各國通信設備都是朝著標準化、綜合化、系列化和通用化的方向發(fā)展。其中的綜合化發(fā)展就是要減少通信平臺數(shù)量、提高通信平臺效率，要求在同一個通信平臺上部署多種通信設備。然而，在同平臺同時工作的發(fā)射機與接收機，兩者的發(fā)射電平和接收電平相差很大，而且同平臺的空間限制會使收發(fā)天線的隔離度十分有限，造成盡管收發(fā)的頻率不同但是發(fā)射機的發(fā)射信號仍然會在接收機輸入端產(chǎn)生很強的干擾電壓。這個干擾電壓會使無線電臺的通信質(zhì)量會受到很大影響，而且當這個干擾電壓超過接收機的動態(tài)范圍，極有可能造成接收機阻塞而無法工作。因此，有必要在接收機的輸入端抵消來自同平臺通信設備的強干擾信號。

矢量調(diào)制器作為干擾抵消器等電磁兼容、抗干擾系統(tǒng)的核心部件，對干擾抵消性能有著非常關鍵的影響。矢量調(diào)制器用于對耦合的干擾信號的幅度和相位進行調(diào)整，產(chǎn)生與干擾信號等幅反相的對消信號。設干擾信號和耦合的干擾信號在同一極坐標系下，要達到對耦合干擾信號的有效調(diào)整，矢量調(diào)制器需要具有信號任意大小的放大和縮小的能力以及極坐標系下360°的任意相位的調(diào)整能力。信號的放大和衰減在工程上相對容易實現(xiàn)，信號的移相盡管在理論上可以采用移相器來實現(xiàn)，但是要實現(xiàn)可以滿足工程應用的精確移相控制很難。

本文針對這一需求提出了一種適合工程化實現(xiàn)的高精度數(shù)控矢量調(diào)制器設計方案。

2 正交矢量調(diào)制原理及模型分析

為了滿足工程化需要，對信號調(diào)整采用工程中常用的正交信號調(diào)整方式，即把對一個信號360°相位調(diào)整轉(zhuǎn)化為對其投影的兩路正交信號的幅度調(diào)整和反相調(diào)整。

如圖1所示，要把采樣信號矢量B調(diào)整到與干擾信號矢量A等幅反相，采用正交坐標軸上的兩個矢量AI和AQ來合成所需要的矢量B。

對于矢量AI和AQ，我們只需要調(diào)整幅度和進行180°的反相，就能使其合成矢量B在坐標軸上實現(xiàn)0°～360°的相位旋轉(zhuǎn)，并且其幅度也可通過調(diào)節(jié)坐標軸上的兩個矢量進行調(diào)節(jié)。這樣就將對一個矢量信號進行相位和幅度調(diào)整的問題轉(zhuǎn)換成工程上更容易實現(xiàn)的對兩個正交信號的幅度調(diào)整和180°反相的問題。

典型的正交矢量調(diào)制器模型如圖2所示。

一個典型的正交矢量調(diào)制器由一個正交耦合器、一個功率合成器以及兩個可調(diào)衰減器及其相應的控制系統(tǒng)組成。正交耦合器主要將一路信號分為I、Q兩路信號，功率合成器負責將兩路信號合成一路信號。

在實際通過電壓控制電調(diào)衰減器對信號進行衰減時，一般要求控制量隨電壓是連續(xù)變化的，如果衰減量隨控制電壓的變化不是線性，那么設計的衰減器電壓控制方案會特別復雜。所以在選擇電調(diào)衰減器時，盡可能選擇線性度好的器件以簡化后續(xù)控制系統(tǒng)設計。本文使用ADI公司的HMC973A型電調(diào)衰減器進行后續(xù)的高精度要求設計，其具有出色的線性度。

3 控制系統(tǒng)的方案設計

3.1 控制系統(tǒng)的數(shù)字化

本文提出了一種將傳統(tǒng)可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)數(shù)字化的方案。方案主要包括兩方面內(nèi)容：

（1）將可調(diào)衰減器的控制接口與控制信息設計數(shù)字化。在應用時，使用者只需根據(jù)需要調(diào)制的情況，按照規(guī)定的通信協(xié)議，向可調(diào)衰減器輸入待產(chǎn)生的衰減量，可調(diào)衰減器內(nèi)部就能計算出I路通道和Q路通道上分別需要設置的衰減量，達到信號衰減的目的，從而很方便地實現(xiàn)對可調(diào)衰減器的控制，降低使用者對可調(diào)衰減器的應用成本。

（2）在矢量調(diào)制器內(nèi)部，將產(chǎn)生壓控電調(diào)衰減器控制電壓的電壓產(chǎn)生電路數(shù)字化。采用DAC與運放電路結(jié)合的方式產(chǎn)生壓控電調(diào)衰減器的控制電壓，這樣只需要提高DAC的位數(shù)，就可以提高所產(chǎn)生控制電壓的分辨率。集成高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路與可調(diào)運放電路，進而將輸入的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成壓控電調(diào)衰減器的控制電壓，以達到提高正交矢量調(diào)制器的調(diào)制精度的目的。

圖1：正交信號合成示意圖

3.2 衰減量與控制電壓的關系

3.2.1 衰減量與控制電壓的數(shù)學關系

要想實現(xiàn)正交矢量調(diào)制器通過對耦合信號衰減調(diào)節(jié)構(gòu)造出一個與干擾信號等幅反相的對消信號，首先要推導出待調(diào)制信號所需衰減量和相移量與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器所需變化量的關系。

設使用者需要對待調(diào)制信號的需要進行的幅度調(diào)制為xdB，相位調(diào)制為θ°，那么調(diào)制后的信號歸一化輸出電壓的大小，可以用公式（2）表示：

由于I路通道上的信號和Q路通道上的信號，是由90°的功分器分配而成的，再經(jīng)過壓控電調(diào)衰減器對幅度和相位的調(diào)制，最后通過功率合成器合成調(diào)制信號。因此I路通道上調(diào)制后信號歸一化輸出電壓大小與Q路通道上調(diào)制后的信號歸一化輸出電壓大小以及整體調(diào)制后的信號歸一化輸出電壓的大小成矢量合成分解的關系，即滿足進而可以得到VI、VQ的與V的關系如公式（3）和公式（4）所示：

根據(jù)以上的數(shù)學關系，進行解析計算，就可以得到I路通道上的壓控電調(diào)衰減器需要的衰減值為而Q路通道上的壓控電調(diào)衰減器需要的衰減值為

從這個解析計算過程中可以看出，如果調(diào)整壓控電調(diào)衰減器的衰減量，使得合成矢量的幅度大小保持固定，則高精度數(shù)字矢量調(diào)制器就成為一個固定幅度的高精度數(shù)字移相器。

3.2.2 建立衰減量與控制電壓的對應關系

根據(jù)前文的分析，在建立高精度數(shù)字壓控電調(diào)調(diào)制器的控制信息與I路通道上和Q路通道上各自的壓控電調(diào)衰減器的控制電壓的關系時，最主要的設計依據(jù)就是本文的研究目標，即保證待調(diào)制信號的幅度可調(diào)精度 。

那么在高精度數(shù)字矢量調(diào)制器研制時，根據(jù)前文對高精度數(shù)字矢量調(diào)制器的衰減量和相移量與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器衰減量的分析。I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器的可調(diào)精度也應該滿足的衰減步進來進行設計，至少都應該按照 的衰減步進來設計。所以，在對與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器衰減狀態(tài)進行方案設計時，就按照的衰減步進來進行設計，那么為了保證衰減量要達到，同時還至少包括10/0.01=1000種狀態(tài)。為了方便對衰減狀態(tài)進行編碼，最終將衰減狀態(tài)設計成1024種衰減狀態(tài)，即在雙極性下，設計能實現(xiàn)的衰減范圍，衰減精度為

以本文選用的HMC973A壓控電調(diào)衰減器為例，其控制電壓與衰減量線性度最好的部分是在控制電壓在1V～16V范圍內(nèi)，衰減量為的范圍內(nèi)。在設計電調(diào)衰減器時，我們主要利用這段線性區(qū)域。

如表1所示。

3.3 控制系統(tǒng)的關鍵電路

壓控電調(diào)衰減器的控制電壓產(chǎn)生電路的設計主要分為兩個部分，分別是DAC電路設計和運算放大電路設計。控制電壓值的產(chǎn)生是由DAC電路與運算放大電路共同完成的，兩者的作用分別歸納如下：DAC電路實現(xiàn)將控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電壓值，每一種控制狀態(tài)和每一個歸一化電壓是互相唯一對應的，也就是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電壓/電流；運算放大電路主要是將DAC電路產(chǎn)生的電流/電壓值，轉(zhuǎn)換到需要的控制電壓。

3.4 DAC的選型分析

理論上講，DAC器件選擇使用電壓型輸出和電流型輸出，對產(chǎn)生所需要的電壓沒有區(qū)別，都可以實現(xiàn)產(chǎn)生所需要的控制電壓。但在工程應用中，兩者在使用上，還是存在明顯的差異。

采用電壓型輸出DAC器件，在遠距離傳輸或者是電磁干擾比較嚴重的場合，存在電壓損耗大，抗干擾能力差的問題，容易導致所產(chǎn)生的可調(diào)衰減器控制電壓不準確，進而降低高精度數(shù)字矢量調(diào)制器的調(diào)制精度。正交矢量調(diào)制器作為干擾抵消器的核心器件，使用環(huán)境的電磁環(huán)境相當惡劣，即使在結(jié)構(gòu)設計中加入分腔屏蔽結(jié)構(gòu)來大幅降低干擾信號的影響，也不能完全消除這種干擾。一旦存在這種干擾，或多或少會使控制電壓上疊加交流分量，導致控制電壓的波動不穩(wěn)定。通過前面對所需控制電壓產(chǎn)生精度的分析，知道控制電壓的最小精度要達到15mV，所以對干擾屏蔽的要求就非常高。而電流型器件則不然，其抗干擾能力非常好，可以認為不會影響壓控電調(diào)衰減器控制電壓的精度。因此矢量調(diào)制器選取電流型DAC來設計控制電路更合適。

表1：衰減量與控制電壓對照表

DAC的采樣率同需要從系統(tǒng)需求和成本兩方面考慮。采樣率不宜太小，否則它的帶內(nèi)處理增益較小，對它的SNR要求相應的就會提高，采樣率過高，成本也會增大。本文選擇ADI公司的AD9776型DAC可以滿足上述要求。AD9776具有的12位控制字可以完成1024種狀態(tài)的控制與選擇，另外采樣率1GSPS也完全能夠滿足應用需求。

3.5 運算放大電路

使用電流型DAC在復雜電磁環(huán)境中有很好的抗干擾的性能，但是也有其不利因素，由于器件是電流型輸出，而衰減器是壓控衰減器，需要將電流型信號轉(zhuǎn)換為電壓型信號。

電流轉(zhuǎn)電壓的設計主要有兩種方式：在電流信號上接一個電阻直接將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；接一個運算放大器來將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。如果采用第一種轉(zhuǎn)換方式，后續(xù)的運算放大電路，會對輸出的電流信號形成分流，從而降低產(chǎn)生的電壓，進而造成可調(diào)衰減器控制電壓精度降低。所以采用運算放大器來將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號具有更大的優(yōu)勢。其電路原理圖如圖3。

使用運算放大器設計完成電流轉(zhuǎn)換為電壓的同時，也可以將該電壓直接轉(zhuǎn)換到所需要的控制電壓。

由放大器的虛短虛斷性質(zhì)，可有：

由于AD9776的輸出電流的范圍為8.7mA～31.7mA，將電流代入公式（5），可以計算得到

4 結(jié)束語

圖2：典型的正交矢量調(diào)制器模型

圖3：電流轉(zhuǎn)電壓電路原理圖

本文通過闡述正交矢量調(diào)制原理，構(gòu)建正交矢量調(diào)制器模型，選取適合工程化實現(xiàn)的主流可靠器件，建立了基于壓控電調(diào)衰減器的前端模型，接著進行了控制系統(tǒng)的方案設計，結(jié)合系統(tǒng)的高精度設計依據(jù)，通過分析衰減量與數(shù)字電壓的關系，設計了控制系統(tǒng)關鍵電路，完成了適合工程化實現(xiàn)的高精度數(shù)控矢量調(diào)制器的設計方案。通過分析驗證，設計的高精度數(shù)控矢量調(diào)制器取得了滿意的結(jié)果。