IQ解調變器之設計與制作

1、11-2簡介簡介QPSK解調變之基本理論解調變之基本理論 電路範例分析電路範例分析 電路範例實測結果討論電路範例實測結果討論11-3前一章中我們已討論知道前一章中我們已討論知道 QPSK 調變是保存頻寬調變是保存頻寬的一種調變方法的一種調變方法，如圖，如圖 10-3所示。所示。在此章中我們將討論在此章中我們將討論 QPSK 解調變之架構與原理解調變之架構與原理。11-4QPSK 解調變之電路架構如圖解調變之電路架構如圖 11-1 所示。所示。由圖可知，輸入解調變器的由圖可知，輸入解調變器的 QPSK 信號需信號需先經由先經由平衡式混頻器平衡式混頻器與與一組正交之基底函數作相乘一組正交之基底函數

2、作相乘來分來分別獲得別獲得 I 與與 Q 的解調資料輸出的解調資料輸出。解調出的資料信號經由低通濾波器濾除混頻器的解調出的資料信號經由低通濾波器濾除混頻器的高頻號高頻號後由後由資料回復裝置將資料信號還原成標準資料回復裝置將資料信號還原成標準的數位資料的數位資料。而後而後 I 與與 Q 的數位資料信號在的數位資料信號在由多工器將並列由多工器將並列輸入的資料信號轉為串列資料輸出輸入的資料信號轉為串列資料輸出。 11-5圖圖11-1 QPSK解調變架構圖解調變架構圖 11-6由式由式 (10-3)，我們知道，我們知道 QPSK 信號可以利用下式信號可以利用下式來表示：來表示： )sin(4) 12(

3、 sin)(cos4) 12( cos)(tmAtmAtxccQPSK(11-1) 其中其中 m = 1, 2, 3, 4 11-7將式將式 (11-1) 分別與一組正交之基底函數相乘可得：分別與一組正交之基底函數相乘可得： )2sin(4) 12( sin2)2(cos4) 12( cos24) 12( cos2)(cos)sin(4) 12( sin)(cos4) 12( cos)(cos)sin(4) 12( sin)(cos4) 12( cos)(2tmAtmAmAttmAtmAttmAtmAtXccccccccoutI(11-2a) 11-8)2cos(4) 12( sin24) 1

4、2( sin2)2sin(4) 12( cos2)(sin4) 12( sin)sin()(cos4) 12( cos)(sin)sin(4) 12(sin)cos(4) 12(cos)(2tmAmAtmAtmAttmAttmAtmAtXccccccccoutQ(11-2b) 11-9觀察式觀察式 (11-2) 我們可發(fā)現，一個我們可發(fā)現，一個QPSK信號分別信號分別乘上一組乘上一組正交之基底函數正交之基底函數 (即即 cos( ct) 與與 sin( ct) 後，原本藏附於載波信號的後，原本藏附於載波信號的資料信號訊息將可以資料信號訊息將可以被分離出來被分離出來。藉由藉由低通濾波器低通濾波器

5、，我們可將，我們可將載波的兩倍頻諧波輸載波的兩倍頻諧波輸出部分濾除掉出部分濾除掉，而獲得，而獲得 I 資料資料與與 Q 資料資料的輸出，的輸出，如如圖圖8-1資料回復裝置的輸入信號資料回復裝置的輸入信號。 4) 12( cos2)(mAtXDataI4) 12( sin2)(mAtXDataQ; m=1, 2, 3, 4 (11-3a) ; m=1, 2, 3, 4 (11-3b) 11-10將式將式 (11-3) 展開可得：展開可得： 442342242142)(mforAmforAmforAmforAtXDataI(11-4a) 11-11442342242142)(mforAmforAm

6、forAmforAtXDataQ(11-4a) 11-12由由式式 (11-4) 我們可發(fā)現解調後之輸出信號我們可發(fā)現解調後之輸出信號 XI-Data(t)與與 XQ-Data(t) 之之大小值大小值與與調變器所輸入之調變器所輸入之 2 位元信位元信號的關係號的關係如如表表 11-1 所示所示 (與表與表10-2完全相同完全相同)。 表表11-1 解調輸出信號與解調輸出信號與2位元信號之關係表位元信號之關係表 解調輸出信號解調輸出信號 對應之對應之2位元位元m = 1( , ) 10m = 2( , )00m = 3( , )01m = 4( , )1142A42A42A42A42A42A42

7、A42A11-13圖圖 11-2 所示為此章節(jié)中所示為此章節(jié)中 IQ 解調變器的詳細電路解調變器的詳細電路方塊圖方塊圖。由圖可知，此由圖可知，此IQ解調變器是由解調變器是由 QPSK 解調變器解調變器(QPSK Demodulator)、資料回復器資料回復器 (Data Recovery)、時脈回復器時脈回復器 (CLK Recovery)、曼測曼測斯特解碼器斯特解碼器 (Manchester Decoder)與與資料結合器資料結合器(Data Combiner) 所構成。所構成。各電路於此調變器中所各電路於此調變器中所扮演之角色扮演之角色及及電路工作原電路工作原理理分述如下。分述如下。 11

8、-14圖圖11-2 IQ解調變器的詳細電路方塊圖解調變器的詳細電路方塊圖 曼測斯特解碼器QPSK 解調變器(QPSK Demodulator)時脈回復器(CLK Recovery)解調 I資料(Demod I Data)解調 Q資料(Demod Q Data)資料回復器(Data Recovery)I資料(I Data)Q資料(Q Data)同步時脈(Coherent CLK)回復的時脈(Recovered CLK)ManchesterDecoder解碼 I資料(Decoded I Data)解碼 Q資料(Decoded Q Data)資料結合器DataCombinerQPSK調變信號輸入(Q

9、PSK I/P)載波輸入(Carrier I/P)資料信號輸出(Data O/P)正交功率分配器(Quadrature Power Divider)I DataQ Data基 頻 部 份 (多 工 器)解 調 變 部 份11-15QPSK 解調變器：解調變器： QPSK 解調變器在解調變器在圖圖 11-2 中中主要是主要是將將 QPSK 的調的調變信號與載波信號作相乘變信號與載波信號作相乘，以，以解調還原產生出解調解調還原產生出解調I資料資料 (Demod I Data) 與與解調解調Q資料資料 (Demod Q Data)信號信號，而後再以，而後再以基頻電路基頻電路 (Base Band C

10、ircuit) 來處理解調後的資料信號。來處理解調後的資料信號。圖圖11-3 所示為利用所示為利用 RF2713 所設計製作的所設計製作的 QPSK 解解調變器電路圖。調變器電路圖。 RF2713 包含有包含有載波信號的載波信號的90o相移器相移器 (QUAD Div. By 2; 90o power divider)、數位驅動電路數位驅動電路、基頻放基頻放大器大器以及以及兩組雙平衡混頻器兩組雙平衡混頻器等。等。 11-16圖圖11-3 QPSK 解調變器電路圖解調變器電路圖 11-17資料回復器資料回復器： 資料回復器在圖資料回復器在圖 11-2 中所扮演之功用是在中所扮演之功用是在將前一將

11、前一級級QPSK解調器解調輸出之解調器解調輸出之IQ資料信號回復成標準資料信號回復成標準的數位資料位準的數位資料位準 (即即 Low 為為 0 V；High 為為 5 V) ，以利後續(xù)基頻電路之運作。以利後續(xù)基頻電路之運作。要製作設計一個資料回復器電路可以簡單的使用一要製作設計一個資料回復器電路可以簡單的使用一顆顆運算放大器運算放大器 ( A741) 來設計一個來設計一個比較器比較器，並，並利用利用電阻與齊納二極體組成一個限幅器電阻與齊納二極體組成一個限幅器，使資料回復器，使資料回復器的輸出電壓限制在的輸出電壓限制在 0 5 V，如如圖圖 11-4 所示所示。 11-18圖圖11-4 資料回復

12、器電路資料回復器電路 資料回復器資料回復器：11-19時脈回復器：時脈回復器：時脈回復器在時脈回復器在圖圖 11-2 中中所扮演之角色是在所扮演之角色是在還原接還原接收到的數位信號時脈收到的數位信號時脈，並，並透過這個時脈來獲悉透過這個時脈來獲悉一連一連串接收到之串接收到之數位信號所代表的資訊數位信號所代表的資訊與與提供解碼時所提供解碼時所需之時脈信號需之時脈信號。圖圖11-5 所示為一個所示為一個時脈回復電路之完整架構圖時脈回復電路之完整架構圖。由圖可知，時脈回復電路非常簡單，它僅需由一個由圖可知，時脈回復電路非常簡單，它僅需由一個延遲延遲 (Delay) 電路電路、互斥或閘互斥或閘 (XO

13、R) 及及鎖相迴路電鎖相迴路電路路 (PLL) 來構成。來構成。對於對於時脈回復電路之動作原理時脈回復電路之動作原理，我們可，我們可利用圖利用圖 11-6所示之時序圖來做說明所示之時序圖來做說明。 11-20圖圖11-5 時脈回復器之完整架構圖時脈回復器之完整架構圖延遲電路(Delay)鎖相迴路(PLL)XOR時脈回復輸 出POCLKered/covRe資料信號輸 入(Data I/P)時脈回復器：時脈回復器：11-21圖圖11-6 時脈回復電路之時序圖時脈回復電路之時序圖 110011資料信號(Data)時脈信號(CLK)發(fā)射資料信號(Transmit Data)tttt接收資料信號(Rec

14、eive Data)調變端(Modulation)tt延遲電路輸出(Delay O/P)互斥或輸出(XOR O/P)解調變端(Demodulation)時脈回復器：時脈回復器：曼徹斯特訊號曼徹斯特訊號即是圖即是圖11-7之之T2脈波信號脈波信號11-22圖圖11-7 時脈回復器電路圖時脈回復器電路圖 InputInput3VCO CtrRef. O/P276189-5 VVCO I/PVCO O/P54XOR2+5 V+5 V2R3R4R5R3C5CXOR14.7 k220 nF10 k4.7 k10 kT2T11C330 pF1R1 k2C100 nF4C100 nF6R1VR4.7 k20

15、 k2 nF+6C+5 V10 uF時脈回復輸出時脈回復輸出(CLK Recovered O/P)接收資料信號接收資料信號輸 入輸 入(Receive Data I/P)LM565時脈回復器：時脈回復器：11-23曼測斯特解碼器曼測斯特解碼器：曼徹斯特解碼器在曼徹斯特解碼器在圖圖 11-2 中中所扮演之角色是在所扮演之角色是在將調將調變器中被編碼的資料信號解碼還原回來變器中被編碼的資料信號解碼還原回來。圖圖11-8 所示為所示為曼測斯特解碼之波形圖曼測斯特解碼之波形圖。由圖可知，要將曼測斯特編碼信號解碼還原出原資由圖可知，要將曼測斯特編碼信號解碼還原出原資料信號料信號僅需將曼測斯特編碼信號與時

16、脈信號僅需將曼測斯特編碼信號與時脈信號 (Clock) 作互斥或運算作互斥或運算 (XOR) 便可便可，如，如圖圖 11-9 所示所示。 11-24曼測斯特解碼器曼測斯特解碼器：圖圖11-9 曼徹斯特信號解碼電路圖曼徹斯特信號解碼電路圖 圖圖11-8 曼徹斯特信號解碼波形圖曼徹斯特信號解碼波形圖 (1)(2)1&0為為orthogonal11-25資料結合器資料結合器：在在圖圖 11-2 中中，資料結合器之目的在，資料結合器之目的在將解調輸出的將解調輸出的並列並列IQ資料信號還原成串列的資料信號輸出資料信號還原成串列的資料信號輸出。由上述之功用，我們可知由上述之功用，我們可知資料結合器

17、其實就是一個資料結合器其實就是一個並列輸入並列輸入/串列輸出串列輸出 (Parallel In-Serial Out, PISO)的轉換器的轉換器，其電路架構，其電路架構如圖如圖 11-10 所示所示。 由圖中可知，它主要是由圖中可知，它主要是利用移位暫存器利用移位暫存器 74HC165來達成並來達成並/串轉換之目的串轉換之目的，圖圖 11-11 所示之為其時所示之為其時序圖序圖。 11-26圖圖11-10 資料結合器電路圖資料結合器電路圖 3481411121315Shift/LoadCLK9CLKInhibitDCBAQHEF GND16GHT3+5V32178 15+5V101674HC

18、4518除頻電路Q資料輸入(Q Data I/P)I資料輸入(I Data I/P)74HC165時脈信號輸入(CLK I/P)2R1R1C100 pF10 k4.7 k2C2 nF資料信號輸出(CLK I/P)資料結合器資料結合器：11-27圖圖11-11 74HC165之時序圖之時序圖 資料結合器資料結合器：11-28MSA-06實驗模組實驗模組IQ調變器調變器IQ解調器解調器11-29基頻信號之量測：基頻信號之量測： 在在IQ調變器基頻電路部份的時脈訊號輸入端調變器基頻電路部份的時脈訊號輸入端(CLK I/P)輸入一個振幅為輸入一個振幅為2.5 V，offset為為2.5 V，頻率為頻率

19、為10 kHz之方波；即之方波；即High為為5 V，Low為為0 V的的TTL波。波。 將將IQ調變器基頻電路部份的調變器基頻電路部份的IQ輸出資料分別以輸出資料分別以連連接線接至接線接至IQ解調變器基頻電路部份的解調變器基頻電路部份的IQ資料輸入資料輸入端端 (圖圖MSA11-1中中Demod I Data與與Demod Q Data)。以示波器觀察解調器各測試點之輸出波形，並將以示波器觀察解調器各測試點之輸出波形，並將觀察到之結果記錄下來。觀察到之結果記錄下來。 11-30圖圖11-2或圖或圖MSA11-1之基頻信號波形量測結果之基頻信號波形量測結果 CH1: Bipolar I Dat

20、aCH2: Bipolar Q Data CH1: I DataCH2: Q Data 11-31圖圖11-2或圖或圖MSA11-1之基頻信號波形量測結果之基頻信號波形量測結果(續(xù)續(xù)) CH1: Recovered CLK CH1: 測試點測試點T1CH2: 測試點測試點T2(或參考圖或參考圖11-7) 11-32圖圖11-2或圖或圖MSA11-1之基頻信號波形量測結果之基頻信號波形量測結果(續(xù)續(xù))CH1: Coherent CLKCH2: 資料回復器資料回復器I Data CH1: Decoded I DataCH2: Decoded Q Data 11-33圖圖11-2或圖或圖MSA11-

21、1之基頻信號波形量測結果之基頻信號波形量測結果(續(xù)續(xù))CH1: Data O/PCH2: 測試點測試點T3(或參考圖或參考圖11-10) 11-34IQ 解調變器之量測：解調變器之量測：在在IQ調變器的時脈訊號輸入端調變器的時脈訊號輸入端 (CLK I/P) 輸入一輸入一個振幅為個振幅為2.5 V，offset為為2.5 V，頻率為頻率為10 kHz之方之方波；即波；即High為為5 V，Low為為0 V的的TTL波。波。 在在ETEK MSA-2003-06模組中之功率分配器模組中之功率分配器 (Power Divider) 的本地信號輸入端的本地信號輸入端 (LO I/P) 輸入輸入一個振幅為一個振幅為400 mV (5 dBm)，頻率為頻率為70 MHz的載的載波信號。波信