模拟与数字信号的正交调制原理与实现

武汉中原电子集团有限公司　张　军



模拟与数字信号的正交调制原理与实现

武汉中原电子集团有限公司张军

正交调制技术是软件无线电体系中的关键技术之一。本文在分析正交调制基本原理的基础上，介绍了模拟调制与数字调制的正交分解方法和基于AD9364平台的通用正交调制方案，为多模式调制设计提供借鉴。

软件无线电；正交调制；AD9364

1　引言

软件无线电是现代通信技术的重要研究领域和发展方向，其基本设计思想是搭建一个通用的硬件平台，在此硬件平台上通过加载各种软件来实现无线电系统的功能。在软件无线电技术体系中，关键技术之一是正交调制技术。所谓正交调制，又称为IQ调制，是指用基带信号的同相分量和正交分量分别调制两路正交的载波信号后相加来实现已调信号的调制技术。该调制技术能实现将硬件平台与基带成型相对独立，便于用FPGA处理基带信号，以实现多模式调制，因而在现代通信系统中得到广泛采用。

本文首先分析了正交调制的基本原理，然后具体介绍了模拟和数字信号的正交分解方法，最后介绍了一种基于AD9364平台的通用正交调制方案，为多模式调制设计提供借鉴。

2　正交调制基本原理

对于已调射频信号，其波形可表示为：

它由振幅A（t）、载频fc（t）和相位ψ（t）定义，其中，A（t）、ψ（t）表征基带信号特征。将式（2-1）展开得：

令

可得：

由式（2-5）可以看出，信号S（t）的波形可由完备的两个归一化正交函数的线性组合构成，此两个归一正交基函数f1（t）与f2（t）为

由此，我们便可得到信号S（t）的矢量表示，如式（2-7）所示。

其中，I（t）与Q（t）是基带信号A（t）的同相与正交分量，

于是，已调信号S（t）可以看作是基带信号I（t）和Q（t）分别调制相差90°的载波cos（2πfct）和-sin（2πfct）的信号和。可见，任何一种信号调制可用正交调制实现。

3　模拟与数字信号的正交调制

3.1调幅（AM）信号的正交调制

调幅是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的调制方式。标准AM信号的时域表达式如式（3-1）示。

3.2调频（FM）信号的正交调制

调频是用调制信号去控制高频载波的频率，使高频载波的频率按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式。调频信号的时域表达式如式（3-3）所示。

设调制信号m（t）=Amcosɷmt，则式（2-3）可进一步分解为

此时，令

可得FM信号正交调制表达式：

3.3调相（PM）信号的正交调制

调相是用调制信号去控制高频载波的相位，使高频载波的相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式。调相信号的时域表达式如式（3-7）所示。

设调制信号m（t）=Amcosɷmt，则式（3-7）可进一步分解为

同理，令

可得PM信号正交调制表达式：

3.4M进制振幅键控信号的正交调制

在M进制振幅键控（MASK）调制中，在M进制符号间隔内，M进制振幅键控信号的载波振幅是M个可能的离散电平之一，。其中每个电平对应于K个二进制符号。

MASK信号的时域表达式如式（3-11）所示。

式中，Ts=KTb表示M进制符号间隔，Tb为二进制符号间隔。

由式（3-11）可得，MASK信号正交调制的I、Q两路信号分别为：

3.5M进制移频键控信号的正交调制

在M进制移频键控（MFSK）调制中，在M进制符号间隔Ts内，已调信号的载波频率是M个可能的离散值之一，其中每个载频对应于K个二进制符号。

MFSK信号表示式如式（3-13）所示。

展开得：

同理的MFSK信号正交调制的I、Q两路信号分别为：

结合式（3-14），可得MFSK信号正交调制表达式：

3.6M进制移相键控信号的正交调制

在M进制移相键控（MPSK）调制中，在M进制符号间隔内，已调信号的载波相位是M个可能的离散相位之一，其中每个载波相位对应于K个二进制符号。

MPSK信号表示式如式（3-16）所示。

展开得到

此时，令

可得MPSK信号正交调制表达式：

4　基于AD9364的正交调制硬件平台设计

4.1正交调制器原理方案

基于上述正交调制模型的分析，设计通用正交调制方案，其原理框图如图1所示。

图1　正交调制器原理框图

从图1可以看到，基带信号经串并变换或映射处理转换成I、Q两路送入正交调制器，正交调制器通过成形滤波、数模转换、模拟基带滤波等，将两路信号转换成模拟信号，并与LO输出的正交载波相乘后相加，生成已调射频信号。通过控制LO频率，便可得到不同频率的调制信号。

4.2基于AD9364的硬件平台设计

基于上述通用方案构想，考虑到调制器小型化、可编程、外围电路简单的发展趋势，硬件平台核心电路采用FPGA+AD9364的架构。架构原理框图如图2所示。

AD9364是一款高性能、高集成度RF捷变收发器。该器件的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想选择。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供可配置数字接口，从而简化设计导入。

其主要特征包括：1）集成12位DAC和ADC的RF 1×1收发器；2）频段：70MHz至6.0GHz ；3）可调谐通道带宽：＜200kHz至56MHz；4）双通道接收器：6路差分或12路单端输入；5）出色的接收器灵敏度，噪声系数小于2.5dB；6）可编程速率的内插滤波器。

图2　基于AD9364硬件平台架构

从图2可以看到，模拟信号经过模数转换后送至FPGA，而数字信号直接送至FPGA，FPGA根据设定的调制类型，对数据进行编码、映射等处理，形成数字基带信号，然后将数字基带信号送至正交调制器AD9364，AD9364根据需要对I、Q两路基带信号进行数字滤波及插值处理，以匹配数字载波数率。插值后，两路数字基带信号经过数模转换、模拟基带滤波器，与正交的两路载波信号相乘后求和，产生已调射频信号，完成信号的正交调制。

根据AD9364器件资料，AD9364内部集成VCO，可实现70MHz至6.0GHz频率输出，涵盖大部分特许执照和免执照频段，且器件外围电路简单，编程应用丰富。可见，采用FPGA+AD9364的架构，可以容易实现满足模拟与数字信号正交调制需求的通用正交调制平台。

5　结束语

本文在分析模拟与数字信号正交调制原理的基础上，提出的基于AD9364的通用正交调制平台，可实现实现70 MHz至6.0 GHz频率输出，且该平台采用FPGA控制，可以灵活地实现多模式调制，从而满足大多数软件无线电平台的应用需求。

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［2］Ulrich L. Rohde（美）著，刘光祜等译.无线应用射频微波电路设计［M］. 北京:电子工业出版社，2004:23-50.

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［5］AD9364 DataSheet.Analog Devices Inc，2014.

The principle and implementation of quadrature modulation of analog and digital signals

Zhang Jun
（Wuhan Zhongyuan Electronics Group CO.，LTD.）

Quadrature modulation technology is one of the key technologies in software radio system.This paper introduces the orthogonal decomposition method of analog and digital modulation and general quadrature modulation scheme based on AD9364 platform，on the basis of analyzing the basic principle of quadrature modulation，to provide reference for the design of multi-mode modulation.

Software Defined Radio；Quadrature modulation；AD9364