QPSK射頻直接調制電路

1、1.1 QPSK調制器設計調制器作為系統(tǒng)中的核心部分，對系統(tǒng)的實現(xiàn)起著至關重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)要求調制方式為QPSK調制，且為直接調制到射頻，選取I/Q正交調制器實現(xiàn)本過程。I/Q正交調制器首先將本振信號通過功分器形成兩路正交信號，然后與I/Q信號進行混頻，最后經(jīng)過合路器合成一路信號，其理框圖如圖 3.1所示。圖 Error! No text of specified style in document.1 I/Q正交調制器原理框圖由于系統(tǒng)要求基帶信號為差分輸入，考慮到差分信號具有抗干擾新能力，所以擬采用差分輸入的調制芯片。下面將分別從調制器電路的設計和I/Q差分信號的輸入電路設計兩個方面詳細

2、介紹。1.1.1 調制器電路設計通過比較，擬選用ADL5375，此芯片不僅滿足我們對調制信號帶寬、EVM、幅度和相位不平衡度的要求，同時通過差分放大器給I/Q輸入信號加合適的共模電壓，可調整調制芯片IQ輸入端的基準電壓，達到調整載波抑制的目的。調制芯片覆蓋了400-6000MHz頻率范圍。ADL5375具有內部50匹配的差分本振輸入，亦可單端輸入。允許本振的輸入驅動功率為0dBm。載波信號經(jīng)過功分器產(chǎn)生正交信號，并在兩個混頻器中與輸出的I/Q信號進行混頻。95MHz的基帶輸入帶寬使其完全滿足設計所需的一個基帶直接到射頻的調制器?；祛l器將信號混頻后送到內部50匹配的單端射頻輸出。調制器芯片內部原

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的指標都滿足本文設計的調制器的要求。其輸出1dB壓縮點為+9.6dBm，三階截止點為+26.6dBm，表明其具有較高的輸出能力。另外對于射頻直接調制系統(tǒng)，調制器輸出的二次諧波分量也是重點考慮的指標，基帶信號的二次諧波分量較大可能會導致頻譜擴散，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帶寬內優(yōu)于0.1dB，非常適合寬帶系統(tǒng)。在設計QPSK調制電路時主要應注意以下幾個方面的影響。（1）首先射頻調制電路應考慮封腔設計，為了避免干擾以及減小對其他電路的干擾，同時有利于減小空間耦合，提高載波抑制度；（2）因為調制芯片是連接數(shù)字電路和射頻電路的器件，應處理好基帶信號輸入的方式，建議增加差分濾波器，在抑制諧波和其他雜散分量的同時提高抗干擾能力；（3）根據(jù)射頻調制器的線性范圍

5、，設計調制器的基帶信號功率（或幅度），得到最佳輸出信噪比的調制信號。（4）由于本文選用的為集成芯片，其功耗相對較高，在設計時應考慮到散熱問題，盡量利用腔體的導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，需要設計外圍供電電路。另外芯片的I/Q信號輸入、載波信號輸入和調制信號的輸出均為差分設計，根據(jù)系統(tǒng)的需要可能需要差分與單端的轉換電路，所以芯片的外圍電路較為復雜。典型應用電路如圖 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信號以差分形式分別從BBI

6、P，BBIN和BBQP，BBQN輸入。I/Q信號輸入之前采用的差分放大電路，之后的中頻電路設計將會詳細介紹。由于射頻電路對于電源的波動較為敏感，所以應在供電電路的近芯片端增加電容來減小電源的文波。本芯片為正交調制芯片，其內部具有兩個混頻器，芯片需要在I/Q信號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，由于內部混頻管會受到偏置電壓的影響，產(chǎn)生不平衡性，導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。對于I/Q信號

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，不用進行轉換，但是需增加差分放大器，以實現(xiàn)幅度和偏壓的控制。調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調制芯片電路原理圖調制器芯片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 差放電路設計根據(jù)實際經(jīng)驗，由于基帶信號走線過長，傳輸過程中衰減量不同，導致輸入到調制芯片的I/Q信號幅度不相等，或者不是完全正交，這將導

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

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

10、抵消。差分信號可以抑制偶次諧波。例如讓連續(xù)波通過一級單端放大器，如圖 3.7所示。輸出信號可表示為式（3.1）和（3.2）。圖 Error! No text of specified style in document.7 連續(xù)波通過單端放大器 （3.16） （3.17）若使用一個差分放大器，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有偶次諧波，可以使調制器獲得更好性能。本文使用差分放大電路主要有以下幾點作用：1) 對I/Q信號進行放大，保證調制器輸出功率；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，進而改善EVM；4) 提高抗干擾能力，同時減小基帶信號對射頻電路的影響。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