文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.009
中文引用格式： 張浩，王永斌，周安棟，等. AD9957在射頻數(shù)字化短波發(fā)射機中的應(yīng)用和仿真分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，
42(9)：36-38，43.
英文引用格式： Zhang Hao，Wang Yongbin，Zhou Andong，et al. Application and simulation analysis of AD9957 in radio frequency digital HF transmitter[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：36-38，43.
0 引言
數(shù)字化短波發(fā)射機的設(shè)計思路是：盡可能讓數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)靠近天線，盡可能用數(shù)字信號處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬信號處理的方法。隨著DSP、FPGA等硬件水平的提高，射頻數(shù)字化短波發(fā)射機已成為現(xiàn)實。本文將介紹一種能完成正交上變頻和數(shù)/模轉(zhuǎn)換的專用芯片——AD9957，并對AD9957在射頻數(shù)字化短波發(fā)射機中的應(yīng)用進行仿真分析。
1 射頻數(shù)字化短波發(fā)射機原理
早期短波發(fā)射機都是模擬系統(tǒng)，音頻輸入信號經(jīng)過SSB調(diào)制、多次混頻、濾波和放大，音頻信號才能搬移到射頻頻段。在射頻數(shù)字化短波發(fā)射機中，大部分模擬電路被數(shù)字電路代替，基帶信號直接數(shù)字上變頻模塊至短波發(fā)射頻段；DAC完成數(shù)字信號向模擬信號的轉(zhuǎn)變；模擬信號經(jīng)過功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò)，最后由天線發(fā)射[1]，如圖 1所示。
2 AD9957概述
AD9957芯片是ADI公司生產(chǎn)的通用數(shù)字正交上變頻器，它集成了一個高速、直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）、一個高性能、高速的14位DAC、時鐘乘法器電路、數(shù)字濾波器和其他DSP功能[2]。AD9957有3種工作模式：正交數(shù)字上變頻（Quadrature Digital Up Converter，QDUC）模式、DAC內(nèi)插模式和單音模式。QDUC模式將低速率的基帶信號插值濾波，然后與DDS產(chǎn)生的本振信號進行正交上變頻。DAC插值模式只提高基帶信號的采樣率，不進行上變頻。單音模式利用芯片內(nèi)部的DDS產(chǎn)生單頻信號，此模式下，插值濾波器不工作。
3 AD9957的應(yīng)用
利用AD9957的QDUC模式，可實現(xiàn)射頻數(shù)字化短波發(fā)射機內(nèi)數(shù)字上變頻和數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分。
3.1 QDUC模式
在QDUC模式中，輸入信號為經(jīng)過脈沖整形和正交分解的基帶信號，I路和Q路信號分別為基帶信號的同相分量和正交分量。數(shù)據(jù)分配器和格式器對I和Q進行解交錯處理，以便每個樣本沿著內(nèi)部數(shù)據(jù)通路以并行方式傳輸。半帶濾波器和級聯(lián)梳狀積分（Cascad Comb Intergrator，CCI）濾波器對基帶信號進行內(nèi)插濾波，分別使輸入信號的采樣率提高4倍和2~63倍。提高基帶信號采樣率的作用是能夠與DDS 內(nèi)核產(chǎn)生的正交（正弦和余弦）本振信號相乘并相加，從而產(chǎn)生正交上變頻數(shù)據(jù)流。反CCI濾波器和反SINC濾波器分別對CCI濾波器和DAC產(chǎn)生的通帶幅度衰減進行補償。DAC可輸出高達400 MHz模擬信號。QDUC模式的功能框圖[4]如圖2。
3.2 仿真分析
System View是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具[3]。利用System View，對AD9957在發(fā)射機內(nèi)完成的功能進行仿真分析，輸入信號碼率為1.2 kb/s，首先使用滾降系數(shù)α為0.5的升余弦濾波器脈沖整形，基帶信號采樣率0.4 MHz；然后進行200倍內(nèi)插濾波，與DDS產(chǎn)生的頻率為8 MHz載波正交上變頻；最后通過DAC仿真輸出模擬信號。
3.2.1 數(shù)字正交上變頻
AD9957功能之一是完成數(shù)字正交上變頻，正交上變頻的時域表達形式（為敘述方便，以下均采模擬形式）如下：
式中，I(t)為基帶信號的同相分量，Q(t)為正交分量。輸入AD9957的I/Q信號形式不同，即可實現(xiàn)SSB、PSK、FSK等不同的調(diào)制方式。如果采用PSK進行仿真，PSK信號的一般表示為[5]：
其中，an(t)是-1、+1，即發(fā)送二進制符號0時取-1，發(fā)送1時取+1。要實現(xiàn)正交上變頻，只需要令：
其中，
AD9957中集成了DDS模塊，可以生成高達400 MHz的正弦/余弦信號。在 QDUC模式下，DDS 則生成用于對I/Q基帶信號進行數(shù)字調(diào)制的正交載波信號。仿真時使用正弦/余弦信號產(chǎn)生器代替即可。
3.2.2 內(nèi)插濾波
為了完成正交上變頻，基帶信號必須與DDS產(chǎn)生的載波信號有相同的采樣率。提高基帶信號采樣率需要首先進行內(nèi)插“0”，例如2倍內(nèi)插“0”后，時域波形每兩個樣點之間多了一個幅度為0的點，頻域中表現(xiàn)為不僅有原始頻譜，還出現(xiàn)了高頻鏡像頻譜。為得到原始頻譜，利用半帶濾波器或者CCI濾波器可以濾除高頻鏡像部分。在時域上，效果是原來內(nèi)插的0點變成了準(zhǔn)確的內(nèi)插值，時域分辨率大大提高。
半帶濾波器在多率信號處理中特別適合于實現(xiàn)D=2M倍的抽取或內(nèi)插，而且計算效率高，實時性強。AD9957中，采用了兩個半帶濾波器級聯(lián)，可以將基帶信號采樣率提高4倍。
半帶濾波器是特殊的FIR濾波器，其頻率響應(yīng)H(ejw) 滿足以下關(guān)系：
由上式可知，半帶濾波器的阻帶寬度(π-ωA)與通帶寬度(ωC)相等，且通帶阻帶波紋也相等，如圖3所示。
半帶濾波器只適用于2的冪次方的內(nèi)插過程，如果內(nèi)插值不是2的冪次方，則可以使用CCI濾波器。
單級CCI濾波器的系統(tǒng)響應(yīng)z域表達式為：
式中，D是內(nèi)插值，H1(z)=1-z-D，H2(z)=(1-z-1)-1。由公式可知，CCI濾波器由兩部分組成，H1(z)梳狀濾波器和H2(z)積分器，它們的關(guān)系是級聯(lián)。如果單級CCI濾波器旁瓣電平衰減不夠，可采用多級CCI級聯(lián)。AD9957中采用了5級可編程CCI濾波器，可實現(xiàn)2至63倍內(nèi)插濾波。本次仿真中，基帶信號通過CCI濾波器，采樣率提高50倍。
3.2.3 補償濾波
（1）反CCI濾波器
CCI濾波器通帶存在細(xì)微衰減梯度，需要反CCI濾波器進行補償。雖然不同內(nèi)插值的CCI濾波器頻譜不相同，但通帶內(nèi)的衰減變化很小。因此我們可以用同一個反CCI濾波器來使數(shù)據(jù)預(yù)失真，來補償工作于不同內(nèi)插率值的CCI濾波器通帶內(nèi)的幅度衰減，這里使用ISOP濾波器作為反CCI濾波器。
ISOP濾波器的系統(tǒng)響應(yīng)z域表達式為[6]：
其中，D是內(nèi)插值，仿真時取50；c是實數(shù)，一般取-6。
ISOP濾波器和CCI濾波器的頻率響應(yīng)如圖 4，ISOP濾波器在低頻處補償了CCI濾波器的通帶衰減。
(2)反SINC濾波器
由于DAC 輸出信號固有的零階保持效應(yīng)，使信號相當(dāng)于經(jīng)過了一個SINC濾波器，信號頻率越大，衰減越明顯，在0.5倍DAC采樣率處信號會出現(xiàn)3.92 dB的衰減。在時域上，DAC對輸出信號的影響表現(xiàn)為頻率越高，幅度衰減越大，這對平坦性要求較高的信號來說是不利的。
AD9957中，反SINC 濾波器對DAC器件產(chǎn)生的衰減進行補償，反SINC濾波器是具有1/sinc(x)特性的濾波器。在System View中自定義設(shè)計了反SINC濾波器，前5階系數(shù)如下：-1.633 993 436 637 42×10-2、2.342 239 004 216 98×10-3、1.002 841 190 904 22×10-2、1.540 253 066 170 49×10-2、1.162 439 539 218 86×10-2，如圖 5所示。圖6顯示反SINC濾波器對DAC產(chǎn)生的通帶衰落的修正效果。
3.3 整體仿真電路
射頻數(shù)字化短波發(fā)射機數(shù)字化部分的System View完整仿真電路如圖 7。需要特別說明的是，仿真電路中使用ADC的目的是完成串/并變換，以便于與DAC對接，在AD9957結(jié)構(gòu)中并不存在。
4 結(jié)論
目前主流硬件仿真軟件均沒有AD9957元件庫，通過對該芯片進行功能仿真，實現(xiàn)了AD9957的主要功能，并以此構(gòu)建了完整的射頻數(shù)字化短波發(fā)射機數(shù)字部分的仿真電路圖。驗證了將AD9957應(yīng)用于短波發(fā)射機內(nèi)的可行性，為硬件電路的設(shè)計與測試提供了理論支撐和參考依據(jù)。
參考文獻
[1] 王金龍.短波數(shù)字通信研究與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2012：280-283.
[2] AD9957 Data Sheet.Analog Devices，Inc.2006.
[3] SystemView[EB/OL].（2016.2.1）.http：//baike.baidu.com/.
[4] 劉國棟.基于AD9957的數(shù)字正交調(diào)制器設(shè)計[J].無線電工程，2009，39(12)：59-60.
[5] 樓才義，徐建良，楊小牛.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.
[6] 楊勛.軟件無線電中上下變頻技術(shù)的設(shè)計和實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.