AD9957在射频数字化短波发射机中的应用和仿真分析

张　浩，王永斌，周安栋，付天晖

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

AD9957在射频数字化短波发射机中的应用和仿真分析

张浩，王永斌，周安栋，付天晖

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

首先简要介绍了射频数字化短波发射机的基本原理以及AD9957芯片的主要功能，然后提出了一种利用 AD9957芯片来实现射频数字化短波发射机内部数字上变频模块和数/模转换模块的方案，使用 System View软件对AD9957在短波发射机中的应用进行仿真分析，最后给出了短波发射机中数字化部分的完整仿真电路图。

AD9957；System View仿真；短波射频数字化

0　引言

数字化短波发射机的设计思路是：尽可能让数/模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)靠近天线，尽可能用数字信号处理代替传统模拟信号处理的方法。随着DSP、FPGA等硬件水平的提高，射频数字化短波发射机已成为现实。本文将介绍一种能完成正交上变频和数/模转换的专用芯片——AD9957，并对AD9957在射频数字化短波发射机中的应用进行仿真分析。

1　射频数字化短波发射机原理

早期短波发射机都是模拟系统，音频输入信号经过SSB调制、多次混频、滤波和放大，音频信号才能搬移到射频频段。在射频数字化短波发射机中，大部分模拟电路被数字电路代替，基带信号直接数字上变频模块至短波发射频段；DAC完成数字信号向模拟信号的转变；模拟信号经过功率放大器和匹配网络，最后由天线发射[1]，如图1所示。

图1　射频数字化短波发射机原理框图

2　AD9957概述

AD9957芯片是 ADI公司生产的通用数字正交上变频器，它集成了一个高速、直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）、一个高性能、高速的14位DAC、时钟乘法器电路、数字滤波器和其他DSP功能[2]。AD9957有 3种工作模式：正交数字上变频（Quadrature Digital Up Converter，QDUC）模式、DAC内插模式和单音模式。QDUC模式将低速率的基带信号插值滤波，然后与DDS产生的本振信号进行正交上变频。DAC插值模式只提高基带信号的采样率，不进行上变频。单音模式利用芯片内部的DDS产生单频信号，此模式下，插值滤波器不工作。

3　AD9957的应用

利用AD9957的QDUC模式，可实现射频数字化短波发射机内数字上变频和数/模转换部分。

3.1QDUC模式

在QDUC模式中，输入信号为经过脉冲整形和正交分解的基带信号，I路和Q路信号分别为基带信号的同相分量和正交分量。数据分配器和格式器对I和Q进行解交错处理，以便每个样本沿着内部数据通路以并行方式传输。半带滤波器和级联梳状积分（Cascad Comb Intergrator，CCI）滤波器对基带信号进行内插滤波，分别使输入信号的采样率提高4倍和2~63倍。提高基带信号采样率的作用是能够与DDS内核产生的正交（正弦和余弦）本振信号相乘并相加，从而产生正交上变频数据流。反 CCI滤波器和反 SINC滤波器分别对 CCI滤波器和DAC产生的通带幅度衰减进行补偿。DAC可输出高达400 MHz模拟信号。QDUC模式的功能框图[4]如图2。

图2　QDUC模式功能框图

3.2仿真分析

System View是美国 ELANIX公司推出的，基于 Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具[3]。利用System View，对AD9957在发射机内完成的功能进行仿真分析，输入信号码率为1.2 kb/s，首先使用滚降系数α为0.5的升余弦滤波器脉冲整形，基带信号采样率 0.4 MHz；然后进行 200倍内插滤波，与 DDS产生的频率为8 MHz载波正交上变频；最后通过DAC仿真输出模拟信号。

3.2.1数字正交上变频

AD9957功能之一是完成数字正交上变频，正交上变频的时域表达形式（为叙述方便，以下均采模拟形式）如下：

式中，I(t)为基带信号的同相分量，Q(t)为正交分量。输入 AD9957的 I/Q信号形式不同，即可实现 SSB、PSK、FSK等不同的调制方式。如果采用PSK进行仿真，PSK信号的一般表示为[5]：

其中，an(t)是-1、+1，即发送二进制符号 0时取-1，发送1时取+1。要实现正交上变频，只需要令：

AD9957中集成了DDS模块，可以生成高达400 MHz的正弦/余弦信号。在 QDUC模式下，DDS则生成用于对I/Q基带信号进行数字调制的正交载波信号。仿真时使用正弦/余弦信号产生器代替即可。

3.2.2内插滤波

为了完成正交上变频，基带信号必须与DDS产生的载波信号有相同的采样率。提高基带信号采样率需要首先进行内插“0”，例如 2倍内插“0”后，时域波形每两个样点之间多了一个幅度为0的点，频域中表现为不仅有原始频谱，还出现了高频镜像频谱。为得到原始频谱，利用半带滤波器或者CCI滤波器可以滤除高频镜像部分。在时域上，效果是原来内插的0点变成了准确的内插值，时域分辨率大大提高。

半带滤波器在多率信号处理中特别适合于实现D= 2M倍的抽取或内插，而且计算效率高，实时性强。AD9957中，采用了两个半带滤波器级联，可以将基带信号采样率提高4倍。

半带滤波器是特殊的 FIR滤波器，其频率响应H(ejw)满足以下关系：

由上式可知，半带滤波器的阻带宽度(π-ωA)与通带宽度(ωC)相等，且通带阻带波纹也相等，如图3所示。

图3　半带滤波器

半带滤波器只适用于2的幂次方的内插过程，如果内插值不是2的幂次方，则可以使用CCI滤波器。

单级CCI滤波器的系统响应z域表达式为：

式中，D是内插值，H1(z)=1-z-D，H2(z)=(1-z-1)-1。由公式可知，CCI滤波器由两部分组成，H1(z)梳状滤波器和 H2(z)积分器，它们的关系是级联。如果单级CCI滤波器旁瓣电平衰减不够，可采用多级CCI级联。AD9957中采用了5级可编程CCI滤波器，可实现2至63倍内插滤波。本次仿真中，基带信号通过CCI滤波器，采样率提高50倍。

3.2.3补偿滤波

（1）反CCI滤波器

CCI滤波器通带存在细微衰减梯度，需要反 CCI滤波器进行补偿。虽然不同内插值的CCI滤波器频谱不相同，但通带内的衰减变化很小。因此我们可以用同一个反CCI滤波器来使数据预失真，来补偿工作于不同内插率值的CCI滤波器通带内的幅度衰减，这里使用 ISOP滤波器作为反CCI滤波器。

ISOP滤波器的系统响应 z域表达式为[6]：

其中，D是内插值，仿真时取50；c是实数，一般取-6。

ISOP滤波器和 CCI滤波器的频率响应如图4，ISOP滤波器在低频处补偿了CCI滤波器的通带衰减。

图4　ISOP滤波器和CCI滤波器频率响应

(2)反SINC滤波器

由于DAC输出信号固有的零阶保持效应，使信号相当于经过了一个SINC滤波器，信号频率越大，衰减越明显，在 0.5倍 DAC采样率处信号会出现 3.92 dB的衰减。在时域上，DAC对输出信号的影响表现为频率越高，幅度衰减越大，这对平坦性要求较高的信号来说是不利的。

AD9957中，反SINC滤波器对DAC器件产生的衰减进行补偿，反 SINC滤波器是具有 1/sinc(x)特性的滤波器。在System View中自定义设计了反SINC滤波器，前5阶系数如下：-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，如图5所示。图6显示反SINC滤波器对DAC产生的通带衰落的修正效果。

图5　反SINC滤波器与DAC的频率响应

图6　反SINC滤波器的补偿效果

3.3整体仿真电路

射频数字化短波发射机数字化部分的 System View完整仿真电路如图7。需要特别说明的是，仿真电路中使用 ADC的目的是完成串/并变换，以便于与 DAC对接，在AD9957结构中并不存在。

图7　整体仿真电路

4　结论

目前主流硬件仿真软件均没有 AD9957元件库，通过对该芯片进行功能仿真，实现了AD9957的主要功能，并以此构建了完整的射频数字化短波发射机数字部分的仿真电路图。验证了将AD9957应用于短波发射机内的可行性，为硬件电路的设计与测试提供了理论支撑和参考依据。

[1]王金龙.短波数字通信研究与实践[M].北京：科学出版社，2012：280-283.

[2]AD9957 Data Sheet.Analog Devices，Inc.2006.

[3]SystemView[EB/OL].（2016.2.1）.http://baike.baidu.com/.

[4]刘国栋.基于AD9957的数字正交调制器设计[J].无线电工程，2009，39(12)：59-60.

[5]楼才义，徐建良，杨小牛.软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[6]杨勋.软件无线电中上下变频技术的设计和实现[D].西安：西安电子科技大学，2007.

Application and simulation analysis of AD9957 in radio frequency digital HF transmitter

Zhang Hao，Wang Yongbin，Zhou Andong，Fu Tianhui
(College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

First of all,giving a brief introduction to the main function of RF digital HF transmitters as well as the basic principles of the AD9957 chip,then proposing a scheme that realize quadrature digital up convert module and the digital to analog conversion module based on AD9957 chip in the RF digital HF transmitters,having a simulation and analysis about the application part of AD9957 in the HF transmitter by System View software,finally presenting a complete simulation circuit diagram of the baseband processing,quadrature digital up convert and digital to analog conversion.

AD9957；System View simulation；HF RF digitalization

TN914.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.009

张浩（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：短波通信。

王永斌（1961-），男，硕士研究生，教授，主要研究方向：对潜通信。

周安栋（1964-），男，硕士，副教授，主要研究方向，短波通信。

中文引用格式：张浩，王永斌，周安栋，等.AD9957在射频数字化短波发射机中的应用和仿真分析[J].电子技术应用，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.