B9122RH DAC超奈奎斯特频率产生宽带高中频的设计与验证

孙晨 王家明 庞轶环 夏俊 金骏

1.上海航天电子技术研究所；2.上海卫星工程研究所

随着卫星通信信息速率不断提高，高中频信号的应用越来越广泛。DAC的采样频率限制了中频信号频率的提高。B9122RH是具有抗辐照指标的双通道16位高动态数模转换芯片，采样频率可达1GSPS，具有针对直接变频传输应用进行优化的特性。本文给出了B9122RH超奈奎斯特采样频率生成宽带高中频信号的设计方法，并提出第二奈奎斯特域频谱翻转和宽带信道增益平坦度补偿解决方案。经过系数补偿后，100MHz的带宽内信号平坦度由4dB改善至0.7dB以内，为B9122RH数模转换芯片超奈奎斯特频率产生宽带高频信号提供设计思路。

数/模转换器是一种将数字量信号转换为模拟量的器件，简称DAC。做为星上通信系统中的关键器件，DAC用于将信号处理模块输出的数字信号转换为模拟中频信号，并送入射频通道进行变频、放大和发射。随着卫星通信速率的不断提高，中频信号频率限制了信息速率与中频的相对带宽，同时过高的相对带宽会提高通带内频谱特性的不平坦度。为解决上述问题，星上通信系统的中频信号频率不断提高，DAC采样频率也随之提高。

对于高中频数模转换电路，其中一个设计难点就是DAC的高采样率问题。以一个中频600MHz，带宽100MHz的高中频信号为例，如果DAC采用奈奎斯特频率采样，考虑输出滤波特性，采样率则需要达到1.5GHz以上，这对DAC的采样电路有着很高的要求。

本文的论述是基于FPGA的B9122RH数模转换电路设计与验证，该电路主要应用于某星上宽带扩跳频通信产品，在800MHz的采样频率条件下，超奈奎斯特采样频率生成下行带宽100MHz、中心频率600MHz的宽带扩跳频中频信号。在FPGA内实现信号调制，并通过对跳频载波进行分段系数补偿，提高100MHz带宽内信号平坦输出。

1 芯片的主要性能特点

1.1 B9122RH主要性能

B9122RH是北京微电子研究所研制的一款具有抗辐照特性、双通道、16位分辨率、高动态国产数模转换器，采样频率高达1GSPS，可应用于数字中频合成、宽带通信等。采用3.3V和1.8V的双电源供电。该电路集成了数字中频调制以及增益与失调补偿，满量程输出电流可以在9mA至30mA范围内进行配置，同时提供可变的带宽设置和可选的半带插值滤波功能。2路数据通道可通过配置实现1路或2路输入和输出。器件内置了的32位高分辨率NCO，可以简化频率设置。器件控制接口采用SPI（Serial Periperal Interface）串行数据输入方式，提供方便的参数设置功能，可以根据产品需求，通过对内部寄存器的操作选择不同的应用模式。

1.2 引脚功能

B9122RH主要引脚功能介绍如表1所示。

表1 B9122RH 的主要引脚功能Tab.1 Pine function description of B9122RH

2 超奈奎斯特频率产生宽带高中频的设计和分析

根据奈奎斯特频率采样定律，DAC数模转换电路输出信号的频率范围一般限制在直流与采样时钟频率的1/2之间[1]。奈奎斯特器件同时会产生镜像频谱信号，其频率可超过1/2采样时钟，为有限采样时钟下高中频的产生提供了可能。在fs采样时钟下，DAC转换芯片产生的直流至0.5fs的频率范围（又称第一奈奎斯特域）内的信号称为基频信号。0.5fs～1fs频率范围（又称第二奈奎斯特域）内输出信号是与基频信号对0.5fs的镜像信号。对于超奈奎斯特频率输出的有用镜像信号，可以采用带通滤波器抑制无用的基频和其他镜频[2]。

需要注意的是，在偶数奈奎斯特频域中，镜像信号对于基频信号的频谱是翻转的。如果DA采集的信号是已经调制过后的信号，则会受到频谱翻转的影响。可以在射频通道采用高本振的变频方式，变频的同时通过频谱再翻转调整过来。如果射频通道不能做高本振变频，则可以在DA采集前的基带信号将数字信号进行预翻转，以抵消偶数奈奎斯特域的频谱翻转特性。

2.1 硬件设计

以某跳扩频信号通过DAC生成宽带高中频为例， FPGA产生的100MHz的宽带零中频基带信号，通过FPGA控制B9122RH工作在相应模式，利用DAC时钟自带的锁相倍频功能，将基带搬移至中心频率600MHz进行输出。实现该数模转换转换和变频功能的原理框图如图1所示。具体过程为：首先FPGA通过SPI接口对B9122RH相应控制寄存器进行配置文件的读写，并将基带信号送入B9122RH芯片16位的数字接口[3]；B9122RH对送入的时钟进行锁相倍频，用于产生800MHz采样速率fDAC和1.6GHz的fvcxo。

图1 通信平台发射中频原理框图Fig.1 Schematic diagram of communication transmission

2.2 芯片配置

以B9122RH生成中心频率600MHz带宽100MHz的扩跳频中频信号为例。FPGA数字基带信号，数据速率为200MHz，DAC参考时钟400MHz，经过内部时钟倍频电路生成800MHz的采样频率。

图2给出了数字数据路径的功能框图。数字处理包括预调制模块、三个半带插值滤波器和NCO正交调制器，相位和失调调整模块，以及反sinc滤波器。本应用只使用了半带插值滤波器1和半带插值滤波器2，在最简配置下完成了频谱的搬移和滤波。具体流程如下：数据速率为200Mhz的数字中频经过半带插值滤波器1和半带插值滤波器2，输出信号范围550MHz～650MHz[4]。具体配置信息如表2所示。

表2 B9122RH的配置信息Tab.2 Configuration of B9122RH

图2 数据路径框图Fig.2 Diagram of data flow path

2.3 超奈奎斯特宽带中频生成的可行性分析

通过表2可知，FPGA进入B9122RH的数据速率为200MHz，经过B9122RH后的输出结果：中心频率fcenter为600MHz。超奈奎斯特频率生成宽带中频信号，需要解决如下问题：（1）设置合适的插值滤波器，进行变频和通带滤波；（2）第二奈奎斯特域的频谱翻转；（3）宽带信号的增益平坦度补偿；（4）设置下行功率电平。

2.3.1 插值滤波器带宽

本应用方案未使用预调制和NCO，2个半带滤波器提供400MHz变频，生成600MHz的高中频信号。插值滤波器1的可用信号带宽为FBW1=0.8×fIN1=160MHz，通带范围140～260MHz；插值滤波器2的可用信号带宽为FBW2=0.5×fIN2=200MHz，通带范围500～700MHz；FPGA提供给DAC的信号带宽为100MHz，小于插值滤波器的FBW1和FBW2，信号可以过插值滤波器。

2.3.2 镜频输出调制信号的频谱翻转

由于输出的信号中心频率为600MHz，处于采样频率800MHz的第二奈奎斯特域，为基波信号的镜频，频谱较基带数字信号发生了翻转。因此，射频通道采用高本振变频的方案，将频谱进行再次翻转，使得最终输出的射频信号频谱正常。高本振变频电路原理框图如图3所示。

图3 高本振变频原理框图Fig.3 Schematic diagram of frequency conversion with high local oscillator

2.3.3 宽带信号的增益平坦度补偿

由于在800MHz采样频率的工作范围内，扩跳频信号在100MHz带宽内进行约20000Hop/s的跳频，DAC输出通带受Sinc响应和低通效应影响，使得DAC输出能量在通带内不同的跳频点而不同。经实测，在现有设计下，如不在基带进行增益补偿，100MHz信号带宽增益不平坦度可达4dB，射频通道功率检波电压跳动明显。为改善输出信号的带内增益平坦度，在FPGA对跳频信号的载波进行分段查找表映射。100MHz扩跳频信号内有80MHz带宽的跳频载波频段。以10MHz频带为单位，将载波频段分为8段，通过系数调整不同频点的载波能力。假设在未补偿前，测试X段的f0x的电平能量的Px。最高频段08的f08电平能量为P8。

各频段的载波调整系数可由公式（1）求得。

通过将100M带宽内的多个跳频点载波分成如表3所示的8段，在基带调制前对载波能量进行相应的系数调整，可以将中频宽带信号的不平坦度优化至0.7dB以内，明显改善宽带信号的通带增益平坦特性。

表3 载波分段调整系数表Tab.3 Adjustment factor table of carrier segmentation

2.3.4 下行输出功率调整

由于宽带信号跳频载波系数调整是将强电平的低频段载波幅值频乘以小于1的系数，使之与低电平的高频段载波幅值一致，以实现整个信号带宽内的增益平坦。不可避免的造成通带内积分能量的下降。为使得下行功率满足设计要求，可以使用B9122RH的电流调整功能，根据公式（2）通过配置寄存器设置DACgain增益参数，在8.6mA和31.6mA范围内调整DAC满量程电流。对最终输出电平进行调整。

3 方案验证

按照图3通信平台发射中频原理结构完成相关电路设计后，对利用DAC的第二奈奎斯特域生成宽带高中频的设计方案进行验证。本方案FPGA采用Xilinx的XC7V690T。在FPGA生成100MHz带宽、200MHz数据速率的扩跳频数字信号，通过B9122RH进行数模转换后生成600MHz高中频信号，并接入频谱仪进行测试。单板实物图如图4所示。

图4 B9122RH实物验证图Fig.4 B9122RH verification picture

对基带对增益补偿前后的DAC输出宽带平坦度进行对比。如图5、图6所示，B9122RH输出了中心频率为600MHz，带宽为100MHz的宽带高中频信号。在基带调制前对载波能量进行系数调整前后，增益平坦度可由4dB改善至0.7dB以内。验证了上述设计方案的可行性。

图5 系数调整前DAC输出频谱Fig.5 DAC spectrum before factor adjustment

图6 系数调整后DAC输出频谱Fig.6 DAC spectrum after factor adjustment

4 结语

本文提出了一种基于B9122RH高速数模转换芯片，通过工作在第二奈奎斯特频率产生宽带高中频的设计应用方案，并给出了插值滤波器滤波和频谱搬移、镜频信号的频谱翻转和宽带增益不平坦度补偿的设计方法，通过平台实测验证了该设计的可行性和有效性。