QPSK射頻直接調(diào)制電路

1、1.1 QPSK調(diào)制器設(shè)計(jì)調(diào)制器作為系統(tǒng)中的核心部分，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)要求調(diào)制方式為QPSK調(diào)制，且為直接調(diào)制到射頻，選取I/Q正交調(diào)制器實(shí)現(xiàn)本過(guò)程。I/Q正交調(diào)制器首先將本振信號(hào)通過(guò)功分器形成兩路正交信號(hào)，然后與I/Q信號(hào)進(jìn)行混頻，最后經(jīng)過(guò)合路器合成一路信號(hào)，其理框圖如圖 3.1所示。圖 Error! No text of specified style in document.1 I/Q正交調(diào)制器原理框圖由于系統(tǒng)要求基帶信號(hào)為差分輸入，考慮到差分信號(hào)具有抗干擾新能力，所以擬采用差分輸入的調(diào)制芯片。下面將分別從調(diào)制器電路的設(shè)計(jì)和I/Q差分信號(hào)的輸入電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面詳細(xì)

2、介紹。1.1.1 調(diào)制器電路設(shè)計(jì)通過(guò)比較，擬選用ADL5375，此芯片不僅滿足我們對(duì)調(diào)制信號(hào)帶寬、EVM、幅度和相位不平衡度的要求，同時(shí)通過(guò)差分放大器給I/Q輸入信號(hào)加合適的共模電壓，可調(diào)整調(diào)制芯片IQ輸入端的基準(zhǔn)電壓，達(dá)到調(diào)整載波抑制的目的。調(diào)制芯片覆蓋了400-6000MHz頻率范圍。ADL5375具有內(nèi)部50匹配的差分本振輸入，亦可單端輸入。允許本振的輸入驅(qū)動(dòng)功率為0dBm。載波信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器產(chǎn)生正交信號(hào)，并在兩個(gè)混頻器中與輸出的I/Q信號(hào)進(jìn)行混頻。95MHz的基帶輸入帶寬使其完全滿足設(shè)計(jì)所需的一個(gè)基帶直接到射頻的調(diào)制器?；祛l器將信號(hào)混頻后送到內(nèi)部50匹配的單端射頻輸出。調(diào)制器芯片內(nèi)部原

3、理圖如圖 3.2所示。圖 Error! No text of specified style in document.2 ADL5375芯片功能框圖ADL5375的指標(biāo)都滿足本文設(shè)計(jì)的調(diào)制器的要求。其輸出1dB壓縮點(diǎn)為+9.6dBm，三階截止點(diǎn)為+26.6dBm，表明其具有較高的輸出能力。另外對(duì)于射頻直接調(diào)制系統(tǒng)，調(diào)制器輸出的二次諧波分量也是重點(diǎn)考慮的指標(biāo)，基帶信號(hào)的二次諧波分量較大可能會(huì)導(dǎo)致頻譜擴(kuò)散，影響鄰信道功率比，此芯片具有較好的諧波抑制。ADL5375在300-1000MHz頻率范圍內(nèi)OIP2、OIP3隨頻率和溫度的變化曲線如圖 3.3所示。 圖 Error! No text of s

4、pecified style in document.3 ADL5375的OIP2、OIP3隨頻率和溫度的變化曲線在450MHz附近，本振泄漏小于-48dBm，邊帶抑制優(yōu)于-37.6dBc。射頻通帶平坦度在70MHz帶寬內(nèi)優(yōu)于0.1dB，非常適合寬帶系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)QPSK調(diào)制電路時(shí)主要應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的影響。（1）首先射頻調(diào)制電路應(yīng)考慮封腔設(shè)計(jì)，為了避免干擾以及減小對(duì)其他電路的干擾，同時(shí)有利于減小空間耦合，提高載波抑制度；（2）因?yàn)檎{(diào)制芯片是連接數(shù)字電路和射頻電路的器件，應(yīng)處理好基帶信號(hào)輸入的方式，建議增加差分濾波器，在抑制諧波和其他雜散分量的同時(shí)提高抗干擾能力；（3）根據(jù)射頻調(diào)制器的線性范圍

5、，設(shè)計(jì)調(diào)制器的基帶信號(hào)功率（或幅度），得到最佳輸出信噪比的調(diào)制信號(hào)。（4）由于本文選用的為集成芯片，其功耗相對(duì)較高，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到散熱問(wèn)題，盡量利用腔體的導(dǎo)熱特性將熱量傳遞到外部，保持芯片在允許的溫度下工作。本文選取的芯片為有源器件，需要設(shè)計(jì)外圍供電電路。另外芯片的I/Q信號(hào)輸入、載波信號(hào)輸入和調(diào)制信號(hào)的輸出均為差分設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的需要可能需要差分與單端的轉(zhuǎn)換電路，所以芯片的外圍電路較為復(fù)雜。典型應(yīng)用電路如圖 3.4所示。圖 Error! No text of specified style in document.4 ADL5375芯片典型外圍電路如圖所示，I/Q信號(hào)以差分形式分別從BBI

6、P，BBIN和BBQP，BBQN輸入。I/Q信號(hào)輸入之前采用的差分放大電路，之后的中頻電路設(shè)計(jì)將會(huì)詳細(xì)介紹。由于射頻電路對(duì)于電源的波動(dòng)較為敏感，所以應(yīng)在供電電路的近芯片端增加電容來(lái)減小電源的文波。本芯片為正交調(diào)制芯片，其內(nèi)部具有兩個(gè)混頻器，芯片需要在I/Q信號(hào)的輸入端添加一定的偏壓，以保證正常的載波和邊帶抑制。根據(jù)前文論述，由于內(nèi)部混頻管會(huì)受到偏置電壓的影響，產(chǎn)生不平衡性，導(dǎo)致載波抑制和邊帶抑制的惡化。本文選用的ADL5375所需要的偏置電壓為1.5V。根據(jù)芯片典型外圍電路可知，芯片的載波輸入端口為差分形式，但是本文的本振信號(hào)走線的都是50的微帶線，所以使用其推薦的單端接入方式。對(duì)于I/Q信號(hào)

7、的輸入，本文采用的方式為差分輸入，符合芯片的接入方式，不用進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是需增加差分放大器，以實(shí)現(xiàn)幅度和偏壓的控制。調(diào)制器模塊的電路原理圖如圖 3.5所示。圖 Error! No text of specified style in document.5 ADL5375調(diào)制芯片電路原理圖調(diào)制器芯片PCB電路圖如圖 3.6所示。圖 Error! No text of specified style in document.6 ADL5375PCB電路圖1.1.2 差放電路設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，由于基帶信號(hào)走線過(guò)長(zhǎng)，傳輸過(guò)程中衰減量不同，導(dǎo)致輸入到調(diào)制芯片的I/Q信號(hào)幅度不相等，或者不是完全正交，這將導(dǎo)

8、致輸出調(diào)制信號(hào)的幅度和相位誤差增大。另外由于I/Q傳輸線的阻抗不同，將會(huì)導(dǎo)致基帶信號(hào)上所帶的偏壓到達(dá)調(diào)制芯片時(shí)的電壓偏置不同，根據(jù)前一章節(jié)的介紹，這將導(dǎo)致調(diào)制信號(hào)的載波抑制度不夠，邊帶抑制度不夠。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，I/Q信號(hào)表示為i(t)、q(t)。 （3.10） （3.11） （3.12）式中、為IQ信號(hào)的傳輸增益，、為IQ信號(hào)所帶的偏壓，為IQ信號(hào)的相位誤差。 （3.13）其中，（3.14） （3.15）從公式可以看出I/Q信號(hào)的傳輸增益不同，將會(huì)導(dǎo)致輸出調(diào)制信號(hào)的幅度不平衡度較差，直流偏置電壓不平衡將導(dǎo)致輸出信號(hào)的載波抑制度變差。經(jīng)過(guò)分析，考慮在I/Q信號(hào)進(jìn)入調(diào)制芯片之前增加差分放大電路

9、，此電路主要功能是對(duì)基帶輸出的I/Q信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)為調(diào)制芯片提供合適電壓偏置。上一節(jié)討論過(guò)，由于調(diào)制芯片為平衡式正交混頻器，所以其輸入端的直流偏壓對(duì)于其性能有很大的影響，同時(shí)偏置電壓還決定了載波泄露的大小。由于本系統(tǒng)基帶信號(hào)走線很長(zhǎng)，不能保證DA輸出的偏置電壓進(jìn)入調(diào)制芯片時(shí)保持抑制，所以擬采用通過(guò)交流耦合的形式，僅通過(guò)差分放大器提供合適的共模電壓。另外，差分電路對(duì)外部EMI和附近信號(hào)的串?dāng)_具有很好的抗擾性，因?yàn)樵诨鶐盘?hào)電壓加倍后，噪聲對(duì)緊密耦合走線的影響在理論上時(shí)相同的，因而他們彼此抵消。差分信號(hào)產(chǎn)生的EMI往往也較低，因?yàn)樾盘?hào)電平的變化（dV/dt或dI/dt）產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，再次相互

10、抵消。差分信號(hào)可以抑制偶次諧波。例如讓連續(xù)波通過(guò)一級(jí)單端放大器，如圖 3.7所示。輸出信號(hào)可表示為式（3.1）和（3.2）。圖 Error! No text of specified style in document.7 連續(xù)波通過(guò)單端放大器 （3.16） （3.17）若使用一個(gè)差分放大器，則輸入輸出如圖 3.8所示。圖 Error! No text of specified style in document.8 差分放大器 （3.18） （3.19） （3.20） （3.21）從公式可以看出，差分放大電路的輸出沒(méi)有偶次諧波，可以使調(diào)制器獲得更好性能。本文使用差分放大電路主要有以下幾點(diǎn)作用：1) 對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行放大，保證調(diào)制器輸出功率；2) 為I/Q輸入端提供合適的偏壓；3) 獲得良好的載波抑制度，減小幅度不平衡度，進(jìn)而改善EVM；4) 提高抗干擾能力，同時(shí)減小基帶信號(hào)對(duì)射頻電路的影響。1.1.2.1 差分放大器的選取本文選用低功耗、軌對(duì)軌輸出、全差分放大器THS4521，該放大器帶寬為145MHz，Slew Rate為490V/us，輸出共模電壓可控，工作電壓為3V至5.5V。根據(jù)調(diào)制芯片的要求，差分放大器共模電壓為1.5V。差分放大器的電路原理圖如圖 3