基于AD9957的正交上变频发射机设计和仿真

刘天宇，付天晖，张 娜，张 丹

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)

基于AD9957的正交上变频发射机设计和仿真

刘天宇，付天晖，张 娜，张 丹

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)

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，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，并对软件无线电通信中使用高效数字滤波器，即半带滤波器和梳状积分滤波器的性能进行了研究与分析，使用Matlab软件对AD9957在短波发射机中的应用部分进行仿真分析，对每一个模块的功能进行了实现。

AD9957；Matlab；短波；正交上变频

0 引言

在数字化短波发射机中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。AD9957是一种能完成正交上变频和数/模转换的专用芯片，本文将对AD9957在射频数字化短波发射机中的应用运用Matlab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，数字电路将代替大部分的模拟电路，输入信号经过各种基带调制，数字上变频模块将基带信号搬移到短波发射频段；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，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[1]。 AD9957有3种工作模式：正交数字上变频(Quadrature Digital Up Converter ，QDUC)模式[2]、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[3]。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。

利用AD9957的QDUC 模式[4-5]，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。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 模式的功能框图如图2所示。

图2 QDUC 模式功能框图

3 设计与仿真

3.1 实现方案

首先利用Matlab语句将报文转换成二进制数字代码，码元速率为1.2 kbps，采样率为480 kHz，并利用滚降系数α为0.5 的根升余弦滤波器对其脉冲整形，产生BPSK 2路调制信号，即同相分量(I路)和正交分量(Q路)，由于BPSK无正交分量，所以Q(n)=0。然后将I、Q 2路信号通过PC传输给AD9957芯片，在芯片中利用半带滤波器进行固定4倍插值滤波，CCI进行可编程的50倍插值滤波，总计完成200倍插值滤波，将采样率提高至96 MHz，与DDS产生的频率为8 MHz的载波信号完成正交上变频。其中利用反CCI滤波器对CCI滤波器的带宽进行补偿，利用反SINC滤波器对数模转换器的通带内平坦性进行补偿。最终输出的信号经过功放模块、匹配网络模块到达天线，由天线辐射出去。

3.2 信号产生

速率采用1 200 bit/s，基带采样率fs=480 kHz，所以采用4 000阶，滚降系数为0.5，截止频率为600 Hz，过渡带为600 Hz的根升余弦滤波器进行脉冲成形滤波。利用Matlab进行仿真，结果如图3所示，得到成形后的脉冲信号，从而降低了信号在传输中的出现误码的概率。

图3 原始信号和脉冲成形后信号

3.3 内插滤波

为了完成正交上下变频，基带信号必须与DDS产生的载波信号有相同的采样率[6-8]。首先要对基带信号进行插“0”，以提高其采样速率。例如D倍插“0”后，时域波形2个采样点之间多了(D-1)个幅度为0的值，在频域中，内插后的频谱为原始序列频谱经D倍压缩后得到的谱,此时不仅含有原基带频谱,而且还出现了高频镜像频谱。其次为了得到原基带频谱,则可以利用半带滤波器或CIC(积分梳状滤波器)滤除其高频镜像成分，在时域上的效果是原来内插的0点变成准确的内插值，时域分辨率大大提升[9-11]。

半带滤波器只适用于2的幂次方的抽取或内插过程，一级半带滤波器实现2倍插值滤波，从图4可以看出2倍插值，频谱进行了2倍压缩，并出现了镜像的高频分量，图5反映出通过半带滤波器后，保留基带频谱。

图4 2倍插值后信号波形及频谱

图5 通过半带滤波器后信号波形及频谱

CCI滤波器只适用于任意倍数的抽取或内插过程，从图6可以看出50倍插值，频谱进行了50倍压缩，并出现了镜像的高频分量，图7反映出通过CCI滤波器后，保留基带频谱。

图6 50倍插值后信号波形及频谱

图7 通过CCI滤波器后信号波形及频谱

3.4 补偿滤波

3.4.1 反CCI 滤波器

由于CCI 滤波器[12-13]通带不够平坦，需要利用反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：

(1)

式中，D为内插值，仿真时取50；c为实数，一般取-6。ISOP 滤波器在低频处补偿了CCI 滤波器的通带衰减。通过Matlab仿真得到图8的结果，可以看出反CCI滤波器在通带内对CCI滤波器进行了补偿，拓宽了其通带内的平坦性。

图8 反CCI 滤波器幅频响应和相频响应

3.4.2 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，这对平坦性要求较高的信号来说是不利的[14]。

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，仿真得到如图9结果，表明反SINC滤波对DAC在高频处出现的衰减起到抑制作用。

图9 反SINC 滤波器、DAC的频率响应、 反SINC滤波器的补偿效果

3.5 正交上变频

相同正交上变频[15]的时域数学表达式如下：

y(n)=I(n)cos(n·ωc/ωs)-Q(n)sin(n·ωc/ωs)，

式中,ωc为载波频率，ωs为采样角频率。通过多相滤波器进行内插得到调制信号,采样速率与载波采样速率相一致,I(n)和Q(n)即是所谓的同相和正交2个分量。

AD9957中集成了DDS 模块[16-17]，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[18]。仿真时使用正弦/余弦信号产生器代替即可。由图10可以看出在采样率为96 MHz的情况下，将基带信号调制到频率为8 MHz的载波上。

图10 正交调制后信号及频谱

4 结束语

通过运用Matlab软件对该芯片实现正交上变频每一模块进行功能仿真，主要实现了AD9957的正交上变频功能。由仿真结果可知AD9957降低了对信号处理的运算量，提高了对信号进行实时处理的效率，在短波范围内实现零中频调制。从而验证了将AD9957应用于短发射机内的可行性，为硬件电路的设计与测试提供了理论支撑和参考依据。

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Design and Simulation of Orthogonal Up-conversion Transmitter Based on AD9957

LIU Tian-yu,FU Tian-hui,ZHANG Na,ZHANG Dan

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan Hubei 430033,China)

The basic principle of radio frequency digital short-wave transmitters and the main functions of the AD9957 chip are briefly introduced,a scheme of using AD9957 chip to realize the internal digital frequency up-conversion module and D/A conversion moduleof digital short-wave radio frequency transmitter is proposed,and the research and analysis on the performance of some efficient digital filtersi.e.half-band filter and comb filter used in the software radio communication are made.The simulation analysis of the application of AD9957 in the short-wave transmitteris made using Matlab software,and the function of each module is realized.

AD9957;Matlab;short wave;orthogonal up-conversion

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.19

刘天宇，付天晖，张 娜，等.基于AD9957的正交上变频发射机设计和仿真 [J].无线电通信技术,2016,43(2):74-77.

2016-12-22

刘天宇(1993—),男，本科在读，主要研究方向：短波通信。付天晖(1981—)，男，讲师，主要研究方向：短波通信。

TN83

A

1003-3114(2017)02-74-4