摘 要: 在闡述DVB-T" title="DVB-T">DVB-T調(diào)制器原理的基礎上,對調(diào)制器中數(shù)字上變頻" title="上變頻">上變頻技術(shù)進行了深入研究,提出了一種利用AD9857實現(xiàn)數(shù)字上變頻" title="數(shù)字上變頻">數(shù)字上變頻的方法,并介紹了AD9857的工作原理、配置方法以及DVB-T調(diào)制器系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞: DVB-T調(diào)制器 AD9857 FPGA
歐洲提出的數(shù)字視頻地面廣播(DVB-T)采用編碼正交頻分復用COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ,即:DVB-T COFDM。COFDM系統(tǒng)可以有效提高頻譜利用率,在時間擴散環(huán)境中盡可能抑制因多徑傳輸而產(chǎn)生的符號間干擾和碼間干擾。選擇DVB-T標準的國家除英國、法國、西班牙、瑞典等歐洲國家外,還有澳大利亞、新西蘭、新加坡、印度等國家和地區(qū)。
本文基于DVB-T標準設計并實現(xiàn)了一個COFDM調(diào)制器。設計中,使用了Altera公司的Stratix系列EP1S25F672C7的FPGA和Analog Devices公司的數(shù)字正交上變頻器AD9857。本系統(tǒng)設計簡單,工作穩(wěn)定,輸出信號的信噪比可以達到55dB以上,能夠以較低的復雜度得到較高的系統(tǒng)性能。
1 DVB-T調(diào)制器的系統(tǒng)方案
DVB-T調(diào)制器中COFDM調(diào)制系統(tǒng)是調(diào)制器中的主要部分,也是抗多徑的OFDM技術(shù)在寬帶無線通信中一個很好的利用。調(diào)制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
從圖中可以看出,發(fā)射端首先由信源去復用電路將輸入的TS碼流分解成兩個獨立的連續(xù)數(shù)據(jù)流,每188字節(jié)為一個傳輸包;然后對每一路數(shù)據(jù)進行加擾、RS編碼、外交織、卷積編碼,在去復用電路中將兩路合二為一(一般分層模式下用到兩路流,其它模式只對一路去復用),再經(jīng)比特交織器和符號交織器完成整個信道編碼。編碼后數(shù)據(jù)經(jīng)過映射調(diào)制到對應的星座圖上成為數(shù)據(jù)載波。OFDM幀形成部分將數(shù)據(jù)載波、導頻載波(pilot)和TPS信道傳輸參數(shù)信令載波按照幀結(jié)構(gòu)的要求組合在一起,形成完整的OFDM符號和幀。根據(jù)OFDM調(diào)制原理,將各個載波經(jīng)過IFFT變換得到時域的數(shù)據(jù)流。之后,在每個OFDM符號前插入保護間隔,再經(jīng)過D/A" title="D/A">D/A上變頻最終形成中頻信號發(fā)射到信道中去。
可見,一個COFDM調(diào)制器主要由TS碼流接入、信道編碼調(diào)制和D/A上變頻這三個模塊組成。因此,D/A上變頻的好壞,直接影響調(diào)制器的性能。
2 D/A上變頻的原理
一般調(diào)制器的上變頻可以采用模擬方式和數(shù)字方式兩種方案,圖2為一簡單模擬上變頻的實現(xiàn)電路,它的原理就是利用壓控振蕩器的振蕩頻率來實現(xiàn)調(diào)頻。首先,輸入信號經(jīng)過VCO與本振信號混頻后得到和頻與差頻信號;這些信號經(jīng)過高通濾波器以后,濾除掉低頻分量,高頻分量就可以經(jīng)過放大器傳輸?shù)叫诺乐腥?。由于模擬電路的一些固有缺陷,例如抗干擾能力較差,精度較低等,所以這種上變頻實現(xiàn)方法的穩(wěn)定性和可靠性都較差。
隨著高速器件和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字上變頻技術(shù)逐漸突破了模擬上變頻的不足,具有調(diào)制中心頻率可調(diào)、頻偏可編程、調(diào)制方式可重組、調(diào)制碼速率高、可實現(xiàn)較高的頻響、可以與編碼器合并擴展功能很強等優(yōu)點,成為今后調(diào)制器的發(fā)展主流。
目前常用的數(shù)字上變頻芯片是AD9856和AD9857,這兩個芯片都是由AD公司生產(chǎn)的通用、高性能的數(shù)字上變頻器件,具有集成度高、性能好、功耗低等特點,使用這兩個芯片可以很容易實現(xiàn)信號的數(shù)字正交調(diào)制。AD9857與AD9856相比,還有如下的不同點:
?。?)AD9857集成的是一個14bit的D/A轉(zhuǎn)換器,而AD9856集成的則是一個12bit的D/A轉(zhuǎn)換器,這樣在數(shù)據(jù)的精度上,AD9857比AD9856高了大約6dB。
?。?)AD9856需要3V電壓供電,而一般的微控制器的工作電壓是3.3V或5V,這樣就需要一個電壓轉(zhuǎn)換芯片來進行電平適配。AD9857的工作電壓是3.3V,可以與其他芯片共用一個電源。
(3)由于AD9857配置完成以后會產(chǎn)生一個PDCLK信號,而AD9856并不能返回這樣一個信號,因此送入AD9857調(diào)制的I/Q兩路信號的平衡性比AD9856要好,這樣可以防止在進行OFDM調(diào)制時出現(xiàn)載波丟失現(xiàn)象。
(4)AD9857還具有輸出電平控制功能,可以根據(jù)接收機的需要,動態(tài)的調(diào)節(jié)輸出信號的電平。
鑒于AD9857的優(yōu)點,以及DVB-T系統(tǒng)的具體需要,本文討論了一種基于AD9857的數(shù)字上變頻的實現(xiàn)方法。
3 AD9857工作原理
AD9857主要有三種工作模式:正交調(diào)制模式、單頻輸出模式和插值" title="插值">插值DAC模式。三種工作模式的選擇是通過對控制寄存器的編程來實現(xiàn)的,在本系統(tǒng)中使用的是正交調(diào)制模式。
在正交調(diào)制模式下,AD9857通過管腳PDCLK/FUD對數(shù)據(jù)輸入端提供一路同步時鐘,用于同步I/Q兩路數(shù)據(jù)的輸入。I/Q兩路數(shù)據(jù)共用14bit 的數(shù)據(jù)線,所以PDCLK 的時鐘頻率應該是單獨的I 路或Q路數(shù)據(jù)速率的2倍,I/Q數(shù)據(jù)分時送入片內(nèi)的DEMUX解復用為并行的I/Q兩路數(shù)據(jù),它們將依次經(jīng)過兩個插值濾波器。經(jīng)濾波后, I/Q 數(shù)據(jù)分別與兩個正交的余弦函數(shù)相乘后再相加(或相減)為一路信號。因為DAC 使用零階保持采樣, 所以信號在進行D/A轉(zhuǎn)換前需要經(jīng)過一個反SINC補償?shù)哪K,以上過程均發(fā)生在數(shù)字域,最后數(shù)字中頻信號送入DAC進行數(shù)模變換產(chǎn)生兩路差分的模擬信號輸出。
AD9857內(nèi)部集成了一個數(shù)字直接頻率合成器(DDS)用來產(chǎn)生數(shù)字的正、余弦波作為載波。DDS的32位頻率控制字(FTWORD)通過同步串行口進行配置。AD9857內(nèi)部共有4組寄存器,每一組都可存儲32位頻率字,這種特性允許輸出載波頻率根據(jù)需要靈活及時地改變。通常,要使一個高質(zhì)量的振蕩器具有100M~200MHz 的頻率動態(tài)范圍是非常困難的, 而AD9857 則允許使用一個較低頻率的振蕩器, 它可以將其內(nèi)部的參考時鐘通過倍頻來產(chǎn)生SYSCLK,通過公式fout=(FTWORD×SYSCLK)/232就可以把基帶信號調(diào)制成任意頻率的中頻信號。
3.1 AD9857的配置
AD9857 提供了一個靈活的同步串行通信口, 從而為許多微控制器及處理器提供簡單的接口。該串口可與許多同步傳輸方式兼容, 其中包括Motorola 的6905/11 SPI協(xié)議及Intel的8051 SSR 協(xié)議。這個通信接口允許對配置AD9857的所有寄存器進行讀寫操作。
3.2 AD9857串口通信
AD9857串口的一個通信周期由兩個階段組成, 如圖3所示。第一階段是指令周期, 是對AD9857的指令字節(jié)的寫入。指令字節(jié)為AD9857的串口控制提供有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸周期的信息, 數(shù)據(jù)傳輸周期就是整個通信周期的第二個階段。指令字節(jié)確定即將到來的數(shù)據(jù)傳輸是讀還是寫、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)以及傳輸?shù)牡谝粋€字節(jié)的寄存器地址。每個通信周期的前8個SCLK上升沿用來寫AD9857 的指令字節(jié), 其余SCLK上升沿是為了通訊周期的第二個階段, 即AD9857與系統(tǒng)控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。
3.3 AD9857內(nèi)部寄存器
AD9857內(nèi)部寄存器地址為00h~19h,每個地址存8bit數(shù)據(jù)。從02h~19h共分為4組相同結(jié)構(gòu)的寄存器,每一組6字節(jié),其中存儲DDS的頻率控制字,可編程插值濾波器的插值倍數(shù),輸出信號幅度的放大因子。00h和01h這兩個地址是公用的,包括對AD9857的工作模式、高低位優(yōu)先、鎖相環(huán)倍頻數(shù)、串行口工作模式、自動節(jié)能、溢出控制處理和失鎖處理等運行方式的設置。用戶通過對這些寄存器的設置使AD9857工作在所需要的方式下。
4 系統(tǒng)實現(xiàn)及仿真
4.1 硬件結(jié)構(gòu)
由于AD9857是一個可編程的D/A上變頻芯片,因此利用單片機和FPGA都可以實現(xiàn)對它的配置。本系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)COFDM調(diào)制,因此用FPGA去配置AD9857的話,不僅可以節(jié)省電路板空間,而且還比較適于調(diào)試。
DVB-T調(diào)制器的硬件實現(xiàn)框圖如圖4所示,TS碼流進入FPGA后進行COFDM調(diào)制,調(diào)制后的數(shù)據(jù)送入AD9857進行中頻調(diào)制。AD9857配置成功后會產(chǎn)生一個PDCLK返回FPGA,可以使用該時鐘把經(jīng)過信道編碼調(diào)制的I、Q兩路數(shù)據(jù)送入AD9857進行正交調(diào)制。
在設計PCB電路板時一定要注意AD9857的數(shù)字地和模擬地的劃分,這樣輸出信號的信噪比才會比較好,并且要用專門的地來包裹時鐘信號線使其免受干擾。
4.2 AD9857的配置
通過FPGA對AD9857的配置線的控制,可以很方便地實現(xiàn)對AD9857的配置。AD9857的配置原理如圖5所示,把要寫入AD9857內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)載入信號載入移位寄存器,然后再把這16bit數(shù)據(jù)串行輸出到AD9857的SDIO管腳,實現(xiàn)對AD9857的配置。
輸入到移位寄存器的16bit數(shù)據(jù)是根據(jù)實際需要提前計算好的,這16bit數(shù)據(jù)包括了8bit的AD9857內(nèi)部寄存器的地址和要寫入該地址的8bit配置字。通過一個狀態(tài)機的工作機制,在其不同狀態(tài),將要寫入AD9857內(nèi)部寄存器的配置字送入移位寄存器。狀態(tài)機的工作過程如圖6所示。
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由于本方案只用了AD9857內(nèi)部的8個寄存器,因此狀態(tài)機只有8個狀態(tài),如果需要用到更多的AD9857的內(nèi)部寄存器,只需要增加狀態(tài)機的狀態(tài)即可。
4.3 波形仿真
圖7為用QUARTUS II軟件對AD9857配置線的波形仿真,從圖中可以很清楚地看到AD9857的各個配置線的工作情況。在配置AD9857之前,由RST信號將內(nèi)部寄存器復位;SYNCIO信號標志配置的開始; /CS,SCLK,SDIO的控制時序與圖3的串口操作時序相同,這樣AD9857就可以工作在用戶需要的工作模式下了。
4.4 輸出信號頻譜
圖8所示是用頻譜分析儀采集到的AD9857輸出信號的頻譜。
經(jīng)過測試,各模塊工作正常,滿足DVB-T調(diào)制器的設計要求;本系統(tǒng)硬件電路簡單,僅需要一個FPGA和一個AD9857即可完成DVB-T調(diào)制器的設計,并可通過更改FPGA的內(nèi)部電路來實現(xiàn)各種調(diào)制器的設計。
參考文獻
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2 EN 300 744 V1.1.2. 1997
3 馬紅學.數(shù)字正交上變頻器AD9857.國外電子元器件, 2002;(8)
4 許林峰,黃 麗,朱維樂.AD9857在地面數(shù)字電視廣播中的應用.電視技術(shù),2004;(11)