宽频段直接上变频激励器的设计与实现

刘 美 锐

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）



宽频段直接上变频激励器的设计与实现

刘 美 锐

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

摘要:针对射频前端宽频段、通用化、可重构等发展趋势，结合零中频架构所具有的易集成、小尺寸、低功耗、低成本等优势，提出了一种宽频段的直接上变频激励器设计方案。该方案选用滤波器芯片ADRF6510作为可重构低通滤波器，对数模转换器(D/A)产生的模拟基带信号进行可调滤波及放大；以正交调制器HMC696作为上变频器，将基带信号直接上变频为射频信号；而锁相环芯片PLL HMC832则为上变频器提供本振信号。测试结果表明，该直接上变频激励器的性能良好，在30 ～ 2 700 MHz范围内，其矢量误差幅度EVM值小于4.5%；相位噪声在偏移10 MHz处优于–157.5 dBc/Hz，可灵活应用于多个频段。

关键词:宽频段；直接上变频；激励器；可编程滤波器；本振；矢量误差幅度；相位噪声

网络出版时间：2016-05-31 11:09:39 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.016.html

发射机的主要功能为调制、上变频、滤波及放大，其实现方案主要有两种：一种是超外差式，另一种是直接上变频式[1]。长久以来，超外差式发射机应用非常广泛，但超外差式发射机需要多次混频和滤波，在目前的集成电路工艺水平下，其用到的无源滤波器很难实现单片集成，因此，超外差式发射机往往结构复杂，硬件开销较大，体积、质量和功耗较大[2]。而直接上变频发射机能将基带信号直接搬移到射频频率，不需要中频放大、滤波、变频等电路，其结构简单、硬件开销小、便于集成，从而极大地减小了发射机的体积、质量和功耗[3]。目前在移动通信领域，直接上变频式发射机已有广泛的应用，但其工作频率范围相对较窄，功能较为单一，不同频段及信号带宽的设计各不相同[2-4]。考虑到未来设备的宽频段及通用化趋势，本文利用高集成度芯片设计制作了一款通用的宽频段直接上变频激励器，通过对正交调制器、基带滤波器以及本振源等电路的优化设计，实现了30 ～ 2 700 MHz的宽频段覆盖，同时能适应各种不同的信号带宽。测试结果表明其性能良好，通用性很强。

1　 系统结构设计

激励器采用直接上变频架构来实现，其主要技术指标如下：

a) 输出信号频率：30～2 700 MHz；

b) 输出信号电平：3 dBm±3 dB；

c) 信号带宽：1 MHz，2 MHz，5 MHz，8 MHz；

d) 矢量误差幅度(EVM)：≤8%；

e) 频率最小间隔：10 Hz；

f) 本振相位噪声：

1) ≤–90 dBc/Hz@1 kHz；

2) ≤–90 dBc/Hz@10 kHz；

3)≤–100 dBc/Hz@100 kHz；

4) ≤–130 dBc/Hz@1 MHz；

5) ≤–150 dBc/Hz@10 MHz。

整体电路结构如图1所示。其具体工作流程如下：信号处理产生的数字基带I/Q （In-phase/Quadrature：同向正交）已调信号通过数模转换器（D/A）变换为模拟基带I/Q信号，双通道的可编程滤波器对I/Q信号进行低通滤波，滤除杂波后得到频谱纯度很高的信号，再送入直接正交调制器中，锁相环产生的本振信号同时送入正交调制器的本振端口，将基带I/Q信号直接上变频为射频信号，再经过放大、滤波后得到所需功率输出，推动后级功放管完成功率放大。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

2　 模拟基带滤波器设计

模拟基带滤波器选用Analog Devices公司的双通道可编程低通滤波器ADRF6510[5]。ADRF6510包括一对匹配的、完全差分、低噪声、低失真可编程滤波器和可变增益放大器。其中，低通滤波器为6阶巴特沃兹滤波器，其0.5 dB截止频率可以根据信号带宽在1 MHz至30 MHz范围内进行编程设置（步进为1 MHz）。滤波器之前后各有一级可变增益放大器，滤波器之前的前置放大器为数控可变增益放大器，提供6 dB或12 dB可编程增益选项，滤波器之后的为模拟可变增益放大器，可提供50 dB的连续增益控制。因此，该滤波器不仅可以有效抑制带外杂散信号，而且能有效地调整D/A输出的模拟基带信号电平，使其满足正交调制器的最佳输入电平范围。ADRF6510的两个通道匹配出色，在任意增益和带宽的设置下都具有优异的性能，非常适合具有密集星座图、多个载波并存的正交通信系统。

本激励器有1，2，5和8 MHz四种信号带宽要求，设计中对滤波器ADRF6510进行编程，即可设置其低通截止频率以适应对应的信号带宽，同时对带外杂散信号进行有效抑制。同时，对ADRF6510进行编程，还可灵活设置其增益，使整个激励器的输出信号电平满足3 dBm±3 dB的指标要求。

3　 直接正交调制器设计

本设计中的直接正交调制器选用Analog Devices公司的宽带正交调制器HMC696[6]。HMC696是一款低噪声、高线性的直接正交调制芯片，其标称工作频率很宽，可以覆盖20 ～ 2 700 MHz，能够满足输出信号频率的设计指标要求。

由于信号的EVM指标与正交调制器的正交误差、I/Q不平衡、载波泄露、非线性失真以及噪声水平相关，而HMC696具有非常低的底噪(–162 dBc/Hz)，良好的线性度指标(输出1分贝压缩点P1 dB≥+5 dBm，输出三阶交调截取OIP3≥+17 dBm)，边带压缩（≤–30 dBc）和载波泄露指标（≤–40 dBm）也非常优异，因此其引入的信号EVM值恶化很少。通过仿真，仅有正交调制器HMC696引入的EVM值约为1%。

同时，HMC696提供差分的本振端口，允许本振差分接入或者单端接入，使用灵活。该芯片的集成度较高，只需要很少的外围电路元件就能实现正交上变频的功能，非常适合于激励器的小型化设计。

4　 宽频段本振源设计

要实现宽频段激励器设计，除了正交调制器需要具有宽覆盖的工作频率以外，还需要为其提供一个宽频段的本振信号。同时，本振源的相噪、杂散水平也会很大程度影响整个激励器的噪声、杂散抑制和EVM性能。本设计选用Analog Devices公司推出的宽带锁相环芯片HMC832来实现宽频段、低噪声、低杂散的本振源设计。HMC832输出频率可覆盖25～3 000 MHz，可工作于整数分频模式或小数分频模式，内部集成了压控振荡器（VCO）、鉴相器和Δ－Σ 调制器，其鉴相频率可高达100 MHz，归一化相位噪底约为–226 dBc/Hz，具有业界领先的相位噪声和杂散性能[7]。

锁相环的相位噪声在环路带宽内，由输入参考信号、鉴相器及分频器的相位噪声起主导作用，并有20lgN 的恶化作用；而在环路带宽外，则主要由VCO 的相位噪声决定[8]。而小数分频锁相环的杂散主要有鉴相（参考）杂散、整数边界杂散和小数杂散，如果这些杂散落在环路带宽外，则可以通过环路滤波器加以衰减。本设计为了取得较低的远端相噪水平和较高的杂散抑制水平，将环路滤波器的环路带宽设置在50 kHz。通过仿真软件ADIsimPLL 对其相位噪声进行仿真，仿真曲线如图2 所示。

图2 相位噪声仿真结果Fig.2 Simulation results of phase noise

5　 验证测试

5.1 宽频段本振源测试

本设计用50 MHz的时钟信号作为锁相环芯片HMC832的参考信号，鉴相频率设置为50 MHz，环路带宽取50 kHz，使用芯片内部集成的VCO，实现30 ～ 2 700 MHz的宽频段输出。HMC832工作在小数分频模式，频率步进达1 Hz。利用信号源分析仪对本振源的性能进行了测试，其在30 MHz和2 700 MHz处的相位噪声实测结果如图3、图4及表1所示。

从表1可以看出，该锁相环的相位噪声实测值与仿真值基本一致，满足指标要求，非常适合用来作为调制器或混频器的本振信号。

图3 本振源相位噪声测试 (30 MHz)Fig.3 Phase noise test of local oscillator (30 MHz)

图4 本振源相位噪声测试 (2 700 MHz)Fig.4 Phase noise test of local oscillator (2 700 MHz)

表1 2 700 MHz本振信号相位噪声Tab.1 Phase noises of local oscillator signal at 2 700 MHz

5.2 正交上变频器测试

通过搭建如图1所示的系统来验证正交上变频器的性能。本测试的输入信号为符号速率3 Msps的8PSK（8移相键控）差分模拟基带I/Q信号，设置可编程低通滤波器ADRF6510的带宽为5 MHz，正交上变频器的输出频率通过改变本振源HMC832的输出频率来实现。利用实时频谱分析仪对正交上变频器HMC696的射频输出信号进行测试，其在30 MHz 和2 700 MHz处的矢量误差幅度（EVM）实测结果如图5、图6所示。

图5 输出信号EVM测试(30 MHz)Fig.5 EVM test of output signal (30 MHz)

从图5及图6中可以看出，直接正交上变频器输出信号能覆盖30～2 700 MHz，EVM值小于4.5%。

图6 输出信号EVM测试结果(2 700 MHz)Fig.6 EVM test result of output signal (2 700 MHz)

该激励器的主要技术指标测试结果如表2所示，所有指标均满足设计要求。

表2 直接上变频激励器指标对照Tab.2 Specifications comparison of the direct up-conversion exciter

6　 结论

利用正交上变频芯片HMC696、基带可编程滤波器ADRF6510以及锁相环芯片HMC832，实现了宽频段（30 ～ 2 700 MHz）直接上变频发射电路。介绍了几款芯片的性能特点及关键参数，并对直接上变频激励器的主要技术指标（特别是本振相位噪声及输出信号的矢量误差幅度）进行了测试。测试结果表明，该直接上变频激励器指标满足设计要求，频率覆盖宽，带宽可灵活配置，通用性好。

参考文献：

[1] 马骁, 杜占坤, 刘珂, 等. 应用于无线传感器网络的射频发射机电路[J]. 半导体技术, 2015, 40(8):561-565.

[2] 庄阳滨, 池琛, 林孝康. 基于DMR标准的直接上下变频射频前端设计 [J]. 移动通信, 2009, 24:28-32.

[3] 单月忠, 刘太君, 叶焱, 等. 基于ADL5385发射电路设计与实现[J].移动通信, 2015(6):65-69.

[4] 陈星锜, 陈建军. 一种宽带零中频收发前端设计 [J]. 电子设计工程, 2015, 23(1):143-145.

[5] ANALOG DEVICES INC. ADRF6510 Datasheet [EB/OL]. [2011-10-01]. http://www.analog.com/media/ en/technicaldocumentation/ evaluation- documentation/ADRF6510.pdf.

[6] ANALOG DEVICES INC. HMC696 Datasheet [EB/OL]. [2013-04-11]. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/h mc696.pdf.

[7] ANALOG DEVICES INC. HMC832 Datasheet [EB/OL]. [2014-11-20]. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/H MC832.pdf.

[8] 唐小艳, 叶锋. 基于HMC833的小数分频频率源设计 [J]. 电子技术与软件工程, 2014(8):105-107.

（编辑：陈渝生）

Design and implementation of a broadband direct up-conversion exciter

LIU Meirui
(No.10 Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Chengdu 610036, China)

Abstract:According to broadband, universalization, reconfiguration trends of RF front-end, combining the zero-IF architecture with easy integration, small size, low power consumption, low cost advantages, a design of wideband direct up-conversion exciter was proposed. Programmable filter ADRF6510 was used as a reconfigurable low-pass filter filtering and amplifying the analog baseband signal generated by the D/A (digital analog converter); and the wideband direct quadrature modulator HMC696 was used as a direct up-converter, converting the baseband signal to the RF signal directly; the PLL chip HMC832 provided local oscillator signal to frequency converter. Test results show that the performance of direct up-conversion exciter is good. The error vector magnitude (EVM) is less than 4.5% and the phase noise is better than –157.5 dBc/Hz at 10 MHz. The exciter can be flexibly applied to a plurality of frequency bands.

Key words:broadband; direct up-conversion; exciter; programmable filter; local oscillator; error vector magnitude; phase noise

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.016

中图分类号:TN742; TN761; TN838

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0078-04

收稿日期：2016-04-07

基金项目：装备预先研究项目资助（No.2141541001070202）

作者简介：刘美锐（1983－），男，四川泸州人，工程师，主要研究方向为射频与微波电路设计，E-mail:liumary1228@163.com 。