QPSK射頻直接調(diào)制電路

1、1.1 QPSK調(diào)制器設(shè)計調(diào)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(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)制器實現(xiàn)本過程。I/Q正交調(diào)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(diào)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(diào)制芯片。下面將分別從調(diào)制器電路的設(shè)計和I/Q差分信號的輸入電路設(shè)計兩個方面詳細

2、介紹。1.1.1 調(diào)制器電路設(shè)計通過比較，擬選用ADL5375，此芯片不僅滿足我們對調(diào)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(diào)整調(diào)制芯片IQ輸入端的基準電壓，達到調(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(shè)計所需的一個基帶直接到射頻的調(diào)制器。混頻器將信號混頻后送到內(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的指標都滿足本文設(shè)計的調(diào)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(diào)制系統(tǒng)，調(diào)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(dǎo)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(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QPSK調(diào)制電路時主要應(yīng)注意以下幾個方面的影響。（1）首先射頻調(diào)制電路應(yīng)考慮封腔設(shè)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(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(diào)制器的線性范圍

5、，設(shè)計調(diào)制器的基帶信號功率（或幅度），得到最佳輸出信噪比的調(diào)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(shè)計時應(yīng)考慮到散熱問題，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(diào)制信號的輸出均為差分設(shè)計，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(shè)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(yīng)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(diào)制芯片，其內(nèi)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(nèi)部混頻管會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(zhuǎn)換，但是需增加差分放大器，以實現(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(dǎo)致輸入到調(diào)制芯片的I/Q信號幅度不相等，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(dǎo)致基帶信號上所帶的偏壓到達調(diào)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(dǎo)致調(diào)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(dǎo)致輸出調(diào)制信號的幅度不平衡度較差，直流偏置電壓不平衡將導(dǎo)致輸出信號的載波抑制度變差。經(jīng)過分析，考慮在I/Q信號進入調(diào)制芯片之前增加差分放大電路

9、，此電路主要功能是對基帶輸出的I/Q信號進行放大，同時為調(diào)制芯片提供合適電壓偏置。上一節(jié)討論過，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(diào)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?dāng)_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(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作用：1) 對I/Q信號進行放大，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(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