摘 要: 介紹了數字正交上變頻器AD9856的工作原理及使用方法,并給出了其在數字音頻廣播(DAB)發射系統中的具體應用。
關鍵詞: 數字正交調制" title="正交調制">正交調制 上變頻 DAB
正交調制是一種常用的調制技術。在以往的通信系統中,一般都由模擬電路實現,由于很難保證兩路載波的正交性,調制的效果往往不太理想,因而逐漸被數字調制所取代。AD9856是AD公司生產的一種通用、高性能的數字正交上變頻器件,具有集成度高、性能好、體積小、功耗低等特點,使用該器件很容易實現信號的數字正交調制。
1 AD9856的結構和工作原理
AD9856內部電路結構如圖1所示。主要分為數據復合、過采樣" title="過采樣">過采樣濾波、正交調制、數模轉換和控制電路等單元。
1.1 數據復合
AD9856內部的數據格式是12bit" title="12bit">12bit的二進制補碼。但數據輸入接口能支持3種字長:12bit(D11~D0),6bit(D11~D6),3bit(D11~D9)。因此需要一個數據復合器將輸入的數據進行復合,形成12bit的統一格式。另外,基帶信號的I、Q分量是交替輸入的,所以數據復合器還需對輸入數據進行識別,將其轉換成I、Q兩路并行數據流,送往下一級電路。
1.2 過采樣濾波
由數據復合器輸出的并行I/Q數據流需經過濾波器進行過采樣。AD9856的過采樣濾波器分為兩級:半帶濾波器(HBF)和級聯積分梳狀(CIC)濾波器,它們都具有低通的頻響特性。而HBF又分為三級:HBF1、HBF2、HBF3,其中HBF3是可選的。
每一級HBF可使數據的采樣率提高一倍。為了使信號頻帶處于濾波器通帶的平坦部分,就要提高HBF的截止頻率。也就是說數據在輸入AD9856之前要進行過采樣。一般情況下,兩倍的過采樣率已經足夠。
AD9856中的CIC實際上是一個可編程的過采樣濾波器,過采樣率的范圍是:2≤R≤63。隨著R的改變,CIC會引入不同的插入損耗。為了補償這一損耗,用戶可以設置CIC增益位,使得CIC的輸出增大一倍。但在這種工作模式下,必須確保輸出信號不會溢出。
1.3 正交調制
AD9856的正交調制就是將基帶信號的頻譜頻移到所需要的載波頻率上(即通常所說的上變頻)。正交調制所需要的余弦、正弦兩路數字載波由一個高速的直接數字綜合器(DDS)產生,其頻率可通過設置相應的寄存器來控制。這兩路數字載波分別與CIC輸出的I、Q兩路數據相乘,然后再相加或相減,即得到調制后的數字中頻信號。
CIC輸出的I/Q數據的采樣率與DDS數字載波的采樣率是相同的,也就是AD9856的系統時鐘頻率(SYSCLK)。所以調制后的信號實際上是一組采樣率為SYSCLK的數據流。
1.4 數模轉換
調制后的數字信號要經過一個12位的DAC,轉換成模擬信號。DAC通過零階保持實現數模轉換。由于零階保持效應,其輸出信號的頻譜實際上是被SINC包絡加權過的。因此需要在DAC前面加上一個反SINC型濾波器(ISF),對輸入數據流進行預處理,以校正SINC包絡造成的失真。
數模轉換過程會在n×SYSCLK±FCARRIER(n=1、2、3)處產生干擾信號,這些干擾信號可以通過一個外接RLC濾波器濾除。一般情況下,使用一個7階橢圓低通濾波器即可。AD9856提供兩路互補的兩個電流輸出,輸出電流的滿額值IOUT范圍是5~20mA,可通過電阻RSET來設置,關系為:
RSET=39.936/IOUT
1.5 控制單元
AD9856提供了一個靈活的同步串行通信端口,該串口" title="串口">串口與絕大多數同步傳輸格式(例如Motorola 6905/11 SPI 和Intel 8051 SSR協議)相兼容。所以很容易實現與微控制器或微處理器的接口。這個接口可以讀寫AD9856的所有寄存器。
控制單元根據各個寄存器的內容,設置AD9856的工作模式。AD9856還提供了一個與AD8320(可編程電纜驅動放大器)進行通信的串口??刂茊卧梢酝ㄟ^這個串口直接設置AD8320的增益。
2 AD9856的使用方法
2.1 時鐘設置
AD9856內部時鐘都是由基準時鐘(REFCLK)倍頻或分頻產生的,輸入數據的采樣時鐘也必須與基準時鐘同步,所以整個系統的各個時鐘頻率之間都有嚴格的整倍數關系,以保證系統正常工作。定義fW為K-bit字(K=3、6、12)的輸入頻率。則fW與REFCLK、SYSCLK之間的關系為:
SYSCLK=REFCLK×M=(2HNfW)/I (1)
其中H、N、I、M為整數并定義如下:
H=1為HBF3旁路
H=2為HBF3選通
M=1為REFCLK倍頻旁路
4≤M≤20為REFCLK倍頻選通
I=1為12bit字輸入
I=2為6bit字輸入
I=4為3bit字輸入
N=CIC內插率(2≤N≤63)
DDS產生的載波頻率不能超過SYSCLK的40%。SYSCLK最高可達200MHz,因此載波頻率不能超過80MHz。用戶應根據輸入數據的采樣率,選擇一精確的REFCLK。并根據要求的載波頻率選定時鐘倍頻系數M,使SYSCLK足夠高。而其他系數的確定則需滿足(1)式。
2.2 輸入數據格式
AD9856提供了兩種輸入數據的時序模式:突發模式" title="突發模式">突發模式和連續模式。在突發模式下,AD9856通過TXENABLE的上升沿來保持與輸入數據的同步。突發模式支持全部三種字長(12bit,6bit,3bit)。對于連續模式,TXENABLE可以看成數據輸入時鐘。該信號除了用來同步外,還可以指示輸入數據是I路還是Q路(1表示I路,0表示Q路)。連續模式只支持12bit字長。圖2、3描述了兩種輸入格式的時序關系,其中INTERNAL I和INTERNAL Q為數據復合器所產生的并行的I和Q數據流。
在選擇輸入模式時,有以下幾點需要注意:
?、僭?bit字輸入的突發模式下,HBF3一定要選通。
?、?在突發模式下,當TXENABLE為低的時間超過1個采樣周期時,數據復合器的I和Q兩路都輸出0。
③ 在連續模式下,當TXENABLE為低或高的時間超過1個采樣周期時,會分別造成I路或Q路數據的丟失。
2.3 控制串口操作
AD9856的一個串口通信周期可分為兩部分:指令周期和數據傳輸周期。在指令周期,外部控制器向AD9856寫入一個指令字節。指令字節給出了將要進行的數據操作所需的信息,如表1所示。在數據傳輸周期,控制器根據指令字節所給的信息對AD9856進行相應的數據操作。
: 定義數據操作類型,1為讀,0為寫。
N1、N0: 要傳輸的數據的字節數(00b=1字節,01b=2字節,10b=3字節,11b=4字節)。
A4~A0:被訪問寄存器的地址,多字節傳輸時,該地址為起始地址,其余地址由AD9856的控制器產生。
AD9856的串口管腳包括SCLK、、SDIO、SDO和SYNC I/O。AD9856在SCLK的上升沿鎖存SDIO上的輸入數據,在SCLK的下降沿給出輸出數據。輸出數據既可出現在SDIO上,也可出現在SDO上。在每一個通信周期內,最初的8個SCLK上升沿用來寫指令字節,剩下的SCLK沿用于數據傳輸。圖4給出了SDIO設置成雙向時的串口讀寫時序。
在進行串口操作時需要注意以下幾點:
(1) 串口支持MSB在前和LSB在前兩種格式,通過寄存器0的第6位設置。對該位的設置是立即有效的。即如果當前操作對該位進行修改,則下一個字節的傳輸就會采用新格式。
(2) 對多字節傳輸的通信周期,如果MSB在前,寄存器地址遞減;如果LSB在前,寄存器地址遞增。
(3) 外部控制器必須保持與AD9856同步,如果失去同步,可由SYNC I/O來重新產生同步,而不必對整個芯片復位。
2.4 寄存器功能
AD9856內部的寄存器如表2所示。
下面說明具體的功能:
(1)SDO有效:1表示串行數據由SDIO輸出;0表示串行數據由SDO輸出。
(2)LSB在前:1表示串行數據是LSB在前;0表示串行數據是MSB在前。
(3)基準時鐘倍頻系數:有效值范圍為4~20。
(4)保留位:該位總為1。
(5)CIC增益:1表示級聯積分梳狀濾波器輸出加倍。
(6)連續模式:1表示連續模式;0表示突發模式。
(7)休眠模式:1表示AD9856處于休眠模式,此時電流小于2mA。
(8)單頻模式:置成1,則輸出單頻信號,頻率由頻率設置字確定。此時數據輸入腳接固定高電平或低電平。
(9)旁路反SINC濾波器:1表示反SINC濾波器被旁路。
(10)旁路參考時鐘倍頻器:1表示參考時鐘倍頻器被旁路。
(11)輸入格式選擇(1:0):10b=12bit模式;01b=6bit模式;00b=3bit模式。
(12)頻率設置字(31:0)FTW:其與載波頻率fOUT及SYSCLK之間的關系為:
fOUT=(FTW×SYSCLK)/232
(13)內插率(5:0):確定級聯積分梳狀濾波器的內插率,允許范圍為2~63。
(14)頻帶選擇:為1時輸出I×cos(ωt)+Q×sin(ωt),為0時輸出I×cos(ωt)-Q×sin(ωt)。
(15)旁路HBF#3:1表示HBF#3被旁路。
(16)AD8320增益控制(7:0)Code:其與AD8320放大倍數AV的關系為AV=0.316+0.077×Code。
(17)組2,3,4:其功能與組1中各寄存器相同。通過管腳PS1、PS0來選擇那一組寄存器有效。
2.5 AD9856對AD8320的增益控制
AD9856提供了一個與AD8320串口相連的接口。通過這個接口,AD9856可以直接控制放大器的增益。這一功能使得外部控制系統大大簡化。AD9856只有在檢測到以下三種情況時,才與AD8320進行通信。
(1)上電復位:在上電復位時,AD9856清除所有組的增益控制寄存器,并且往AD8320串口寫全零,此時定義了放大器的最小增益。
(2)PS1和PS0改變:AD9856對PS1和PS0進行取樣,當發現它們改變時,則將當前組內的增益控制寄存器內容寫入到AD8320中。
(3)增益控制寄存器內容改變:當AD9856任一組中的增益控制寄存器被更新時,它都將當前組的增益控制寄存器的數據寫入AD8320。
3 AD9856在DAB發射系統中的應用
DAB是繼調幅、調頻廣播之后的第三代廣播方式,具有音質好、抗干擾能力強等優點。我國于1996年將其列為重大科技產業項目,并決定采用歐洲的Eureka147標準。該標準采用編碼正交頻分復用(COFDM)傳輸方式。節目源的音頻數據經復接器復接成ETI(Ensemble Transport Interface)幀,然后送入COFDM符號發生器,產生采樣率為2.048MHz的I、Q兩路數字基帶信號,每一路的信號帶寬為0.768MHz?;鶐盘栆话阆纫徽{制到中頻,然后再上變頻到所需要的射頻,經發射機發射出去。
圖5給出了用AD9856實現的DAB中頻正交調制器的框圖。其中的AT89C2051為系統控制器,AD8320為放大器。
DAB標準中規定,I/Q數據的采樣值為8bit二進制補碼。因此在設計方案中,輸入模式采用12bit字的突發模式。AD9856的高8位數據線(D11~D4)接輸入數據,而低4位數據線(D3~D0)接地。因為輸入信號的每路帶寬僅為0.768MHz,基本上全部落在AD9856內部過采樣濾波器通帶的平坦區域內,所以輸入數據在送往AD9856之前不需要過采樣。
輸入數據采樣率為2.048MHz,為保障AD9856內部時鐘關系,REFCLK取采樣時鐘的4倍頻,即8.192MHz。SYSCLK為REFCLK的20倍頻,即163.84MHz。中頻載波設為36MHz,在SYSCLK的40%范圍內。選通HBF3,CIC內插率設成10,以滿足(1)式。
單片機AT89C2051的P1.0、P1.1接AD9856的PS0和PS1,選擇AD9856的當前有效寄存器組。P1.2~P1.6接AD9856控制串口的各個管腳,按照圖4給出的時序,即可對AD9856 內部寄存器進行讀寫操作。輸出負載為簡單的接地電阻。濾波器為5階橢圓低通濾波器,截止頻率為38MHz。
該中頻正交調制器結構簡單,易于調試,且調制參數可根據需要進行設置,在實際應用中效果良好。
參考文獻
1 AD9856 Data Sheet. Analog Devices Inc.、1999
2 AD8320 Data Sheet. Analog Devices Inc.、1998
3 曹志剛,錢亞生. 現代通信原理. 北京:清華大學出版社,1992