B9122RH DAC超奈奎斯特頻率產生寬帶高中頻的設計與驗證

孫晨 王家明 龐軼環 夏俊 金駿

1.上海航天電子技術研究所；2.上海衛星工程研究所

隨著衛星通信信息速率不斷提高，高中頻信號的應用越來越廣泛。DAC的采樣頻率限制了中頻信號頻率的提高。B9122RH是具有抗輻照指標的雙通道16位高動態數模轉換芯片，采樣頻率可達1GSPS，具有針對直接變頻傳輸應用進行優化的特性。本文給出了B9122RH超奈奎斯特采樣頻率生成寬帶高中頻信號的設計方法，并提出第二奈奎斯特域頻譜翻轉和寬帶信道增益平坦度補償解決方案。經過系數補償后，100MHz的帶寬內信號平坦度由4dB改善至0.7dB以內，為B9122RH數模轉換芯片超奈奎斯特頻率產生寬帶高頻信號提供設計思路。

數/模轉換器是一種將數字量信號轉換為模擬量的器件，簡稱DAC。做為星上通信系統中的關鍵器件，DAC用于將信號處理模塊輸出的數字信號轉換為模擬中頻信號，并送入射頻通道進行變頻、放大和發射。隨著衛星通信速率的不斷提高，中頻信號頻率限制了信息速率與中頻的相對帶寬，同時過高的相對帶寬會提高通帶內頻譜特性的不平坦度。為解決上述問題，星上通信系統的中頻信號頻率不斷提高，DAC采樣頻率也隨之提高。

對于高中頻數模轉換電路，其中一個設計難點就是DAC的高采樣率問題。以一個中頻600MHz，帶寬100MHz的高中頻信號為例，如果DAC采用奈奎斯特頻率采樣，考慮輸出濾波特性，采樣率則需要達到1.5GHz以上，這對DAC的采樣電路有著很高的要求。

本文的論述是基于FPGA的B9122RH數模轉換電路設計與驗證，該電路主要應用于某星上寬帶擴跳頻通信產品，在800MHz的采樣頻率條件下，超奈奎斯特采樣頻率生成下行帶寬100MHz、中心頻率600MHz的寬帶擴跳頻中頻信號。在FPGA內實現信號調制，并通過對跳頻載波進行分段系數補償，提高100MHz帶寬內信號平坦輸出。

1 芯片的主要性能特點

1.1 B9122RH主要性能

B9122RH是北京微電子研究所研制的一款具有抗輻照特性、雙通道、16位分辨率、高動態國產數模轉換器，采樣頻率高達1GSPS，可應用于數字中頻合成、寬帶通信等。采用3.3V和1.8V的雙電源供電。該電路集成了數字中頻調制以及增益與失調補償，滿量程輸出電流可以在9mA至30mA范圍內進行配置，同時提供可變的帶寬設置和可選的半帶插值濾波功能。2路數據通道可通過配置實現1路或2路輸入和輸出。器件內置了的32位高分辨率NCO，可以簡化頻率設置。器件控制接口采用SPI（Serial Periperal Interface）串行數據輸入方式，提供方便的參數設置功能，可以根據產品需求，通過對內部寄存器的操作選擇不同的應用模式。

1.2 引腳功能

B9122RH主要引腳功能介紹如表1所示。

表1 B9122RH 的主要引腳功能Tab.1 Pine function description of B9122RH

2 超奈奎斯特頻率產生寬帶高中頻的設計和分析

根據奈奎斯特頻率采樣定律，DAC數模轉換電路輸出信號的頻率范圍一般限制在直流與采樣時鐘頻率的1/2之間[1]。奈奎斯特器件同時會產生鏡像頻譜信號，其頻率可超過1/2采樣時鐘，為有限采樣時鐘下高中頻的產生提供了可能。在fs采樣時鐘下，DAC轉換芯片產生的直流至0.5fs的頻率范圍（又稱第一奈奎斯特域）內的信號稱為基頻信號。0.5fs～1fs頻率范圍（又稱第二奈奎斯特域）內輸出信號是與基頻信號對0.5fs的鏡像信號。對于超奈奎斯特頻率輸出的有用鏡像信號，可以采用帶通濾波器抑制無用的基頻和其他鏡頻[2]。

需要注意的是，在偶數奈奎斯特頻域中，鏡像信號對于基頻信號的頻譜是翻轉的。如果DA采集的信號是已經調制過后的信號，則會受到頻譜翻轉的影響。可以在射頻通道采用高本振的變頻方式，變頻的同時通過頻譜再翻轉調整過來。如果射頻通道不能做高本振變頻，則可以在DA采集前的基帶信號將數字信號進行預翻轉，以抵消偶數奈奎斯特域的頻譜翻轉特性。

2.1 硬件設計

以某跳擴頻信號通過DAC生成寬帶高中頻為例， FPGA產生的100MHz的寬帶零中頻基帶信號，通過FPGA控制B9122RH工作在相應模式，利用DAC時鐘自帶的鎖相倍頻功能，將基帶搬移至中心頻率600MHz進行輸出。實現該數模轉換轉換和變頻功能的原理框圖如圖1所示。具體過程為：首先FPGA通過SPI接口對B9122RH相應控制寄存器進行配置文件的讀寫，并將基帶信號送入B9122RH芯片16位的數字接口[3]；B9122RH對送入的時鐘進行鎖相倍頻，用于產生800MHz采樣速率fDAC和1.6GHz的fvcxo。

圖1 通信平臺發射中頻原理框圖Fig.1 Schematic diagram of communication transmission

2.2 芯片配置

以B9122RH生成中心頻率600MHz帶寬100MHz的擴跳頻中頻信號為例。FPGA數字基帶信號，數據速率為200MHz，DAC參考時鐘400MHz，經過內部時鐘倍頻電路生成800MHz的采樣頻率。

圖2給出了數字數據路徑的功能框圖。數字處理包括預調制模塊、三個半帶插值濾波器和NCO正交調制器，相位和失調調整模塊，以及反sinc濾波器。本應用只使用了半帶插值濾波器1和半帶插值濾波器2，在最簡配置下完成了頻譜的搬移和濾波。具體流程如下：數據速率為200Mhz的數字中頻經過半帶插值濾波器1和半帶插值濾波器2，輸出信號范圍550MHz～650MHz[4]。具體配置信息如表2所示。

表2 B9122RH的配置信息Tab.2 Configuration of B9122RH

圖2 數據路徑框圖Fig.2 Diagram of data flow path

2.3 超奈奎斯特寬帶中頻生成的可行性分析

通過表2可知，FPGA進入B9122RH的數據速率為200MHz，經過B9122RH后的輸出結果：中心頻率fcenter為600MHz。超奈奎斯特頻率生成寬帶中頻信號，需要解決如下問題：（1）設置合適的插值濾波器，進行變頻和通帶濾波；（2）第二奈奎斯特域的頻譜翻轉；（3）寬帶信號的增益平坦度補償；（4）設置下行功率電平。

2.3.1 插值濾波器帶寬

本應用方案未使用預調制和NCO，2個半帶濾波器提供400MHz變頻，生成600MHz的高中頻信號。插值濾波器1的可用信號帶寬為FBW1=0.8×fIN1=160MHz，通帶范圍140～260MHz；插值濾波器2的可用信號帶寬為FBW2=0.5×fIN2=200MHz，通帶范圍500～700MHz；FPGA提供給DAC的信號帶寬為100MHz，小于插值濾波器的FBW1和FBW2，信號可以過插值濾波器。

2.3.2 鏡頻輸出調制信號的頻譜翻轉

由于輸出的信號中心頻率為600MHz，處于采樣頻率800MHz的第二奈奎斯特域，為基波信號的鏡頻，頻譜較基帶數字信號發生了翻轉。因此，射頻通道采用高本振變頻的方案，將頻譜進行再次翻轉，使得最終輸出的射頻信號頻譜正常。高本振變頻電路原理框圖如圖3所示。

圖3 高本振變頻原理框圖Fig.3 Schematic diagram of frequency conversion with high local oscillator

2.3.3 寬帶信號的增益平坦度補償

由于在800MHz采樣頻率的工作范圍內，擴跳頻信號在100MHz帶寬內進行約20000Hop/s的跳頻，DAC輸出通帶受Sinc響應和低通效應影響，使得DAC輸出能量在通帶內不同的跳頻點而不同。經實測，在現有設計下，如不在基帶進行增益補償，100MHz信號帶寬增益不平坦度可達4dB，射頻通道功率檢波電壓跳動明顯。為改善輸出信號的帶內增益平坦度，在FPGA對跳頻信號的載波進行分段查找表映射。100MHz擴跳頻信號內有80MHz帶寬的跳頻載波頻段。以10MHz頻帶為單位，將載波頻段分為8段，通過系數調整不同頻點的載波能力。假設在未補償前，測試X段的f0x的電平能量的Px。最高頻段08的f08電平能量為P8。

各頻段的載波調整系數可由公式（1）求得。

通過將100M帶寬內的多個跳頻點載波分成如表3所示的8段，在基帶調制前對載波能量進行相應的系數調整，可以將中頻寬帶信號的不平坦度優化至0.7dB以內，明顯改善寬帶信號的通帶增益平坦特性。

表3 載波分段調整系數表Tab.3 Adjustment factor table of carrier segmentation

2.3.4 下行輸出功率調整

由于寬帶信號跳頻載波系數調整是將強電平的低頻段載波幅值頻乘以小于1的系數，使之與低電平的高頻段載波幅值一致，以實現整個信號帶寬內的增益平坦。不可避免的造成通帶內積分能量的下降。為使得下行功率滿足設計要求，可以使用B9122RH的電流調整功能，根據公式（2）通過配置寄存器設置DACgain增益參數，在8.6mA和31.6mA范圍內調整DAC滿量程電流。對最終輸出電平進行調整。

3 方案驗證

按照圖3通信平臺發射中頻原理結構完成相關電路設計后，對利用DAC的第二奈奎斯特域生成寬帶高中頻的設計方案進行驗證。本方案FPGA采用Xilinx的XC7V690T。在FPGA生成100MHz帶寬、200MHz數據速率的擴跳頻數字信號，通過B9122RH進行數模轉換后生成600MHz高中頻信號，并接入頻譜儀進行測試。單板實物圖如圖4所示。

圖4 B9122RH實物驗證圖Fig.4 B9122RH verification picture

對基帶對增益補償前后的DAC輸出寬帶平坦度進行對比。如圖5、圖6所示，B9122RH輸出了中心頻率為600MHz，帶寬為100MHz的寬帶高中頻信號。在基帶調制前對載波能量進行系數調整前后，增益平坦度可由4dB改善至0.7dB以內。驗證了上述設計方案的可行性。

圖5 系數調整前DAC輸出頻譜Fig.5 DAC spectrum before factor adjustment

圖6 系數調整后DAC輸出頻譜Fig.6 DAC spectrum after factor adjustment

4 結語

本文提出了一種基于B9122RH高速數模轉換芯片，通過工作在第二奈奎斯特頻率產生寬帶高中頻的設計應用方案，并給出了插值濾波器濾波和頻譜搬移、鏡頻信號的頻譜翻轉和寬帶增益不平坦度補償的設計方法，通過平臺實測驗證了該設計的可行性和有效性。