低成本直接射频正交调制无线发射机的新设计

陈 杰 尹应增

（西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室，陕西 西安710071）

引 言

通信系统的无线化趋势日益明显，使人们摆脱了繁复的线缆束缚，生活越来越简洁、方便。例如WiFi、蓝牙等无线技术实现了近距离通信的无线化。但人们的通信要求多种多样，尤其在一些特殊场合，要求通信系统符合特殊的要求。这就要求通信系统具有较高的灵活性，便于修改升级，以适应不同场合的需要。软件无线电技术是解决这一问题的最佳方法，其目的是将除天线外的所有处理数字化。但这种技术面临着数字处理芯片速度和数模转换器件带宽的限制，成本较高也是一个重要问题［1］。因此，完全的软件无线电技术的应用较为有限，仅限于研究领域。而在应用领域，伴随着现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理（DSP）技术的发展和应用，人们也正在研究各种方法以使通信系统的各种处理尽可能数字化。

近年来，无线通信发射机的软件化和数字化一直是研究的热点问题，出现了多种应用和实现方法。文献［2－4］采用基于FPGA的直接数字频率合成（DDS）技术，在卫星通信系统中实现了直接数字正交射频调制。该方法是一种完全数字化的方法，对载波的相位控制和处理较为精准。但射频DDS技术一般不能控制载波幅度，只适用于相移键控（PSK）调制，而且DDS芯片价格较高，所以应用受到限制。

传统的正交调制法［5－6］应用广泛，但该方案一般在中频完成正交调制，再用混频器将中频信号上变频到射频载波，然后通过天线发射出去。和直接射频DDS方法相比，该方案需要一个数模转换器件、一个混频器和一个正交调制器，结构和控制相对复杂。文献［7］提出了一种基于劳伦特分解的连续正交相移键控（QPSK）调制的简化接收机，文献［8］研究了数字宽带接收机的测向技术，但对发射机均未作研究。文献［9－10］研究了扩频序列的属性估计问题，属于宽带接收机的数字化应用技术，对发射机也未作研究。

由于正交调制法应用广泛，如何将这一方法软件化和数字化并简化结构成为研究的新课题。本文设计了一款直接射频调制无线通信发射机。该发射机克服了传统正交调制方案的缺点，将传统方案尽可能的软件化和数字化，实现了基带数字信号对射频载波的直接调制，结构简单，成本更低，控制系统也得到简化。系统以FPGA为核心，只包括一个数字锁相环和一个调制器，没有数模转换器件和混频器。系统的所有器件由FPGA协调工作。首先，上位机通过标准串口RS232发来指令信号，FPGA接收后对其处理、编码并产生数字基带信号。数字基带信号再直接对射频载波进行调制，调制后的信号通过天线发射出去。本设计采用的数字频率振荡器（NCO）控制技术能够在系统老化或温度变化时精准地对频率进行控制，提高了系统的鲁棒性［1］。

1 QPSK调制的数字实现

新设计采用QPSK调制，所以首先引入QPSK调制的理论基础。

对载波信号，QPSK 已调信 号 第k 个码元［5－6］可以表示为

式中：θk为受调制的相位，其值取决于基带码元的取值；A是信号振幅，为常数；ωc为载波角频率；k＝1，2，3，4.

令式（1）中的A＝1并展开得

式中：

表1 QPSK信号的相位和I、Q信号对应关系表

式（3）和（4）中的ak、bk即为基带Ik、Qk信号。对正交相移键控QPSK，它的每个码元含有2bit的信息，现用ab表示这两个比特。ab有00、01、10、11共4种组合。他们和相位θk之间的关系一般按雷格码对应，相应的Ik、Qk（ak、bk）如表1所示，给出了A、B两种编码方式。

在实现设计时，实际的Ik（ak）和Qk（bk）的取值根据发射功率可以同比例放大或缩小并数字化。

2 直接射频调制无线通信发射机的新设计

2.1 整体框架

新设计的整体框架如图1所示。源信号来自上位机（PC），FPGA通过RS232接口先接收源信号，然后对其进行编码和数据打包，并产生基带数字信号。射频部分包括NCO和射频正交调制器。该发射机在FPGA和射频部分之间未采用传统方案中的数模转换器件和混频器，FPGA和射频部分通过电容和电阻元件直接相连，实现了FPGA对射频载波的直接调制。该方案结构简单，成本更低，控制系统也得到简化。

图1 直接射频调制无线通信发射机的新设计框架图

2.2 系统工作的FPGA实现

系统工作时，FPGA通过RS232接口接收来自上位机PC的数据，并进行编码、组帧和I、Q数据分路等数据处理，同时控制NCO芯片工作。系统所有的功能实现都在FPGA的控制下完成。

图2是FPGA的软件功能框图，为了表述清晰，图中示出了外围器件。FPGA的软件按功能分为五个模块：串口数据发送和接收模块、编码和组帧模块、基带数据发送模块、内部数字锁相环（DPLL）、NCO配置模块。各模块的功能如下：

1）串口发送和接收模块：接收上位机PC通过串口RS232发送来的信息并返回给上位机PC.

2）编码、组帧模块：对接收到的串口数据进行编码，并加入同步信号、报头和保护段等信息打包成帧.

3）基带数据发送模块：将帧数据信息码元按表1转换为并行I、Q信号输出给调制器AD8345.

4）NCO配置模块：此模块完成对NCO芯片AD4360－7的配置功能，控制载波信号频率。

图2 FPGA软件设计功能框图

5）内部数字锁相环（DPLL）：此模块利用40 MHz的外部晶体振荡器时钟输入，通过分频和倍频后为整个系统提供所需要的工作时钟。

2.3 新设计I、Q路的简化设计

图3是直接射频调制I、Q路设计电路图，也就是图1中电阻电容网络的实现电路。其中图3（a）为I路设计图，图3（b）为Q路设计图。图3（a）和图3（b）的电阻、电容连接和取值对应相同。这里以图3（a）为例分析。

如图3（a）所示，I＋和I－分别连接到FPGA的一路低压数字差分信号（LVDS）输出的正端和负端。I＋和I－信号分别经过相同连结和取值的电容和电阻网络后，和射频调制器AD8345的I路输入差分对IN＿I＋和IN＿I－连接。将I＋到IN＿I＋的电路称为I＋路，将I－到IN＿I－的电路称为I－路。I＋路和I－路是对称的。当电路中有数字信号传送时，FPGA的LVDS端口输出数字电流信号，数字信号‘1’时其相当于恒流源，设其输出的电流为常数C.由于I、Q路的数字信号的码元速率高达2MHz，所以图3（a）中的电容C1和C2在传送数字信号时均相当于短路。下面首先讨论直流偏置，然后讨论电路中有信号时各支路的情况，最后讨论差分对I＋、I－和差分对IN＿I＋、IN＿I－之间的关系。

1）直流偏置

这种情况相当于电路中没有数字电流信号传送时的工作状态。

对IN＿I＋，其静态工作电压为

对IN＿I－，其静态工作电压为

图3 直接射频调制I、Q设计电路图

由于R1＝R3，R2＝R4，所以

2）电路中有数字电流信号传送时的工作原理

对IN＿I＋，当电路有电流C流过时，其工作电压为

对IN＿I－，当电路有电流C流过时，其工作电压为

式（8）和（9）中的“∥”表示并联。

由于R1＝R3，R2＝R4，所以

3）差分对I＋、I－和差分对IN＿I＋IN＿I－之间的关系

对于LVDS信号，当输出数字信号‘1’时，I＋有电流而I－无电流，此时IN＿I＋和IN＿I－之间的电压为

对于LVDS信号，当输出数字信号‘0’时，I＋无电流而I－有电流，此时IN＿I＋和IN＿I－之间的电压为

设C＊（R1∥R2）＝D，则输出的数字信号‘1’对应V1dif为D.而输出的数字信号‘0’对应V0dif为－D.这样就实现了数字电流到实数恒模正负电压的转换。调节电阻R1和R2的取值可以控制D的大小，以适应AD8345的输入要求并尽可能做到终端匹配。然后FPGA的I路和Q路按表1输出即可以实现对载波的正交调制。

3 设计验证和分析

按照上述设计制作了电路板并进行测试。如图4所示为本文设计的QPSK无线发射机实物图。这里的FPGA芯片采用的是Altera公司的EP3C25E144C8N.电路板和上位机PC通过RS232串口进行通信，接口采用了max232电平转换芯片。NCO采用芯片AD4360－7.AD4360－7是一款频率合成和压控振荡器（VCO）集成于一体的芯片，工作频率范围为350～1 800MHz或175～900MHz可控。AD4360－7芯片内部有3个24位寄存器：R Counter、Control、N Counter，这3个寄存器配置芯片输出载波信号的频率，数字实时可控。FPGA采用串行外设接口（SPI）方式控制NCO的时钟（CLK）端口、数据（DATA）端口、和使能（LE）端口，产生载波信号cos（wct）。正交调制器采用AD8345.正交调制器完成I、Q两路载波信号的正交调制，将两路调制信号相加后输出。正交调制芯片AD8345工作于140～1 000MHz频率范围，内部有一个相位分割网络，可将输入的单路余弦本振信号分成两路完全正交的信号用于正交调制。芯片具有非常好的相位精确度和幅度平衡性。

图4 发射机实物图

采用该无线发射机对上位机PC通过RS232发送来的信号进行调制、发射，然后在接收端接收、解码，并上传到PC机显示。测试误码率时，为了方便对码字计数，在发射端重复发送字母“A”。比较发射和接收的码字计算误码率。实际工作时，发射端上位机的串口发射速率为9 600波特，FPGA输出给AD8345的基带数据速率为2MHz，接收端上传到PC的串口接收速率为115 200波特，载波频率280MHz.图5是用示波器对AD8345输入通道进行实测的信号。图6是接收端接收到的码字显示图。为了和传统发射机［5］相比较，分别用传统发射机和新设计的发射机发射信号，两个发射机采用相同的编码方法（汉明码）、相同的调制方式（QPSK），在接收端用相同的接收机进行解码。实测的误码率比较如图7所示。在图7中，‘新’表示新设计的发射机的实测数据，‘传统’表示传统发射机的实测数据。由图7可以看到，新设计发射机的性能达到了传统发射机的性能。但新设计实现了FPGA对射频载波的直接调制，去掉了传统方案中FPGA和射频部分之间的数模转换器和混频器，结构简单，成本更低，使传统发射机的软件化和数字化更进一步。

测试时，发射机的编码采用了汉明码，这是一种编码增益较低的编码方式，如果采用增益高的卷积码或涡轮码（Turbo），可以使误码率更低。而且，如果再对编码后的数字信号进行数字扩频，然后对射频信号实施调制，则可以进一步改善误码率。因为新设计实现了FPGA对射频信号的直接数字调制，上述的编码和扩频都可以直接在FPGA中通过修改FPGA的软件完成，具有较大的灵活性和适应性。

图7 新设计和传统设计误码率实测比较

4 结 论

本文对无线通信发射机的软件化和数字化做了研究。按照软件无线电的“将无线通信系统尽可能软件化和数字化”的发展趋势研制了一种低成本的直接射频调制无线发射机。该发射机克服了传统发射机方案的缺点，FPGA和射频部分直接相连，去掉了传统方案中FPGA和射频部分之间的数模转换器和混频器，实现了FPGA对射频载波的直接调制，结构简单，成本更低，控制系统也得到简化。新设计秉承了软件无线电灵活、移植性强、可重新配置的特点，可以满足多种无线电通信需求。

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