CN112653478B - 用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，包括：恒温晶振器、锁相环、环路滤波器、低通滤波器、射频信号输出单元、AD9957正交调制电路和FPGA电路；所述恒温晶振器控制锁相环，所述锁相环同时控制和响应于环路滤波器，所述低通滤波器控制AD9957正交调制电路，所述低通滤波器响应于锁相环，所述AD9957正交调制电路同时控制和响应于FPGA电路；设计的发射链路提高了射频端输出频谱带外抑制、邻道抑制比和谐波抑制等性能，在满足小型化的技术要求下，能够达到较高的频谱输出特性。
Description
技术领域
本发明涉及数字广播发射机领域，具体涉及用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路。
背景技术
DAB(Digital Audio Broadcast，数字音频广播)以及其升级版的DMB(DigitalMultimedia Broadcasting)是取代FM(Frequency Modulation，调频)、AM(AmplitudeModulation，调幅) 等传统模拟广播的新一代数字化广播系统。在调制技术方面，DAB采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术，可良好地解决移动接收环境中的多路径干扰问题，并且具有比FM高得多的音质和频谱利用率。能够同时传输多路高质量的音频、视频、文字和图片等多媒体业务。和传统的广播体系相比，DAB/DMB具有更加优秀的收听音质和抗干扰能力，还具备发射功率小、覆盖面积大、频谱利用率高和可移动接收等一系列优点，由于这些突出优势，全球已经有36个国家和地区采用了DAB标准。截止目前，全球 DAB商用电台已接近2000个，覆盖人口超过4亿。因此，DAB/DMB具有巨大的市场前景。
随着市场的发展，对数字多媒体广播又提出了多种新的应用场景。如校园广播、公园广场等公共场所的信息预警、社区的信息发布。这类应用场景对广播发射机的小型化及高集成度提出了更高的要求。同时对广播发射机的射频输出频谱的带外抑制等性能指标也有更为严格的要求，即在有邻道业务的情况下(同一区域内存在多个信息发布场所)，各发射台之间的信号不能出现相互干扰，又彼此独立。
传统的数字广播发射机前端设计中，常采用超外差发射架构。即基带I\Q数据经过DAC 后调制至中频，后直接混频或经过二级上变频至目的发射频段。此类发射架构作为解决5G 等高频信号发射机前端部分更为合适。但难以在保持良好的输出频谱特性的情况下，做到小型化，对于常用数字广播发射频段(170Mhz～240Mhz)，射频发射前端存在更好的解决方案。
发明内容
本发明目的在于提供用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路。
本发明通过下述技术方案实现：
用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，包括：恒温晶振器、锁相环、环路滤波器、低通滤波器、AD9957正交调制电路和FPGA电路；所述恒温晶振器输出频率至锁相环，所述锁相环同时控制和响应于环路滤波器，所述低通滤波器响应于锁相环，所述锁相环输出频率经滤波器至AD9957。所述AD9957正交调制电路同时控制和响应于FPGA电路；所述FPGA电路发送I/Q数据至AD9957正交调制电路；所述基带I/Q数据以时序交错的形式通过并行同步时钟送入AD9957正交调制电路；
其中，锁相环输出频率经过HMC1044滤波器后进入AD9957，通过系统时钟控制器作为整个电路的系统时钟，支持AD9957芯片上DAC、DDS、数据端口等模块的工作。并行I、Q 数据输入时，AD9957在同步时钟引脚产生一个时钟信号，该信号频率等于并行时钟端口的采样速率，器件通过同步时钟来捕捉并行数据。完成对I、Q数据的锁存；所述射频信号输出单元包括阻抗变换器、滤波器1、滤波器2、放大器；所述阻抗变换器的输入端连接AD9957 正交调制电路中的数模转换器，所述阻抗变换器的输出端连接滤波器1的输入端，所述滤波器1的输出端连接放大器输入端，所述放大器的输出端连接滤波器2的输入端，所述滤波器 2的输出端连接射频输出端。
进一步，所述滤波器1采用7阶椭圆低通滤波器，所述滤波器2采用巴特沃斯带通滤波器。
进一步，所述AD9957正交调制电路包括解复用器、半带滤波器、CCI滤波器、系统时钟控制器、时钟分频器、数字调制器1、数字调制器2、数字控制振荡器、反Sinc滤波器、数字幅度调节电路和数模转换器。
进一步，所述解复用器的输入端接收I/Q数据，所述解复用器的输出端连接半带滤波器的输入端，所述半带滤波器的输出端连接CCI滤波器的输入端，所述CCI滤波器输出端1的 I波输出数据和数字控制振荡器的余弦本振信号数据由数字调制器1调制后输出载波数据A；所述CCI滤波器输出端2的Q波输出数据和数字控制振荡器的正弦本振信号数据由数字调制器2调制后输出载波数据B；所述载波数据A和载波数据B相加后产生正交调制数据流，所述数据流通过反Sinc滤波器处理后输出数字调制信号，所述数字调制信号经过数字调节电路的数字增益控制后输出IF数字信号，所述数字IF信号经数模转换器处理后输出模拟IF信号。所述数模转换器的型号为14位电流型数模转换器。
进一步，所述AD9957正交调制器中，I和Q数据字以时序交错形式递送，在正交调制器中，一串半带插值滤波器及后置的CCI滤波器对此数字基带数据进行向上采样，经过向上采样之后，数字基带信号接着馈入数字正交调制器；数字调制器的本振输入信号来自NCO(Numerically Controlled Oscillator，数字控制振荡器)且带有32位频率调谐字。
进一步，所述锁相环包括控制寄存器、K分频器、压控振荡器、使能控制器、N分频、R分频、鉴相器和电荷泵。
进一步，所述控制寄存器控制N分频器，所述使能控制器的输出端连接N分频的输入端，所述R分频的输入端连接恒温晶振；所述N分频器输出端和R分频器的输出端连接鉴相器的输入端，所述鉴相器的输出端连接电荷泵的输入端，所述电荷泵的输出端连接环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端连接压控振荡器的输入端，所述压控振荡器的输出端连接使能控制器的输入端和K分频的输入端，所述K分频的输出端连接低通滤波器。
进一步，所述低通滤波器的型号为HMC1044，所述恒温晶振器的频率为50MHz，本设计的射频前端有效的弥补了传统发射机链路中产生的本振泄露和I/Q不平衡等问题；由于本设计完全在数字域内实现正交调制功能。因此可以实现I/Q数据的精准匹配，且本振信号或载波泄露极低，此外NCO精确的调谐分辨率使得发射机可以实现非常精确的频率和相位控制以及快速跳频。
进一步，所述系统时钟控制器接收低通滤波器滤波后的本振频率，所述系统时钟控制器同时发出时钟信号和本振信号，所述时钟分频器接系统时钟控制器所发出的时钟信号，所述数字控制振荡器接系统时钟控制器所发出的本振信号；所述时钟分频器在接到时钟信号后向 FPGA电路发送同步时钟信号。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其射频电路能够完成频率调制、滤波和放大功能；相较于传统数字多媒体广播发射机射频前端，集成度提高，体积、成本降低。所支持发射频段(174Mhz～240Mhz)符合数字多媒体广播认证标准；且在此基础上针对本振频率源进行优化；相较于传统基于AD9957的采用直接上变频方案的OFDM通信系统发射端，设计的发射链路提高了射频端输出频谱带外抑制、邻道抑制比和谐波抑制等性能，在满足小型化低成本的技术要求下，能够达到较高的频谱输出特性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明射频前端架构示意图。
图2为本发明射频前端电路图。
图3为七阶椭圆低通滤波器示意图。
图4为巴特沃斯带通滤波器示意图。
图5为射频输出频谱图。
图6为发射前端PCB示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
如图1所示，本发明用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，无线系统通常使用直接变频和超外差发射机架构。本设计针对数字广播发射机工作频段特点(支持 174Mhz～240Mhz)以及小型化、低成本的技术要求，采用直接变频发射架构。且在中频级直接将基带信号调制到174Mhz～240Mhz，省去传统发射链路中射频级混频部分。本设计中，上变频采用正交调制器芯片AD9957。I和Q数据经过调制映射和脉冲整形，然后输入QDUC(Quadrate Digital Up Converter，正交数字上变频器)。对于AD9957，I和Q数据字以时序交错形式递送。在QDUC中，一串半带插值滤波器及后置的CCI滤波器对此数字基带数据进行向上采样。经过向上采样之后，数字基带信号接着馈入数字正交调制器。数字调制器的本振输入信号来自正交NCO(numerically controlled oscillator，数字控制振荡器)且带有32位频率调谐字。
数字调制器的输出为调制的数字载波，载波频率由NCO设定。数字调制器将信号馈入反 Sinc滤波器，然后后者补偿DAC的sin(x)/x频率响应特性。反Sinc滤波器可以在DAC的奈奎斯特带宽范围内提供增益平坦度，而增益平坦度则是宽带调制信号保持误差矢量幅度性能所必需的。DAC输入端的数字幅度调节电路提供对数字调制信号的数字增益控制。高速DAC 将数字IF信号转换成模拟IF信号。AD9957输出端设计的低通滤波器来消除与DAC输出相关的奈奎斯特镜像，经过滤波后得到较为纯净的输出频谱。
本发明的射频前端有效的弥补了传统发射机链路中产生的本振泄露(本发明在数字域完成调制)和I/Q不平衡等问题。由于本设计完全在数字域内实现正交调制功能。因此可以实现I/Q数据的精准匹配，且本振信号或载波泄露极低，此外NCO精确的调谐分辨率使得发射机可以实现非常精确的频率和相位控制以及快速跳频。
AD9957内部集成了14位的电流型DAC，输出两路平衡电流信号IOUT和IOUT#，通过电阻分压，设计将双端电流型信号转换为单端电压射频信号。射频输出电路采用Mini-Circuits 公司生产的一款低成本高性能1:1射频变压器ADT1-1WT，该射频变压器能够实现阻抗匹配并将双端信号转化为单端射频信号输出。由于AD9957内部由直接频率合成器产生所需的本振频率，后通过DAC完成数模转换。由此会产生镜像、谐波等频率分量。由于镜像频率中含有较大能量，故AD9957输出后级联7阶椭圆低通滤波器(图3)。充分阻带的低通滤波器可有效的滤除镜像、谐波等频率分量。
射频发射链路中，本振频率源的精度和相位噪声直接影响着调制信号的质量。由于OFDM 对载波间的相位噪声比较敏感，恶劣的本振源会造成严重的带内失真和带外干扰，破坏各个子信道间的正交性，从而降低通信系统性能。由于本系统为满足小型化的技术要求，采用直接变频发射架构，省去传统发射架构中射频级混频部分。传统同类方案中，本振频率由AD9957 内部锁相环产生。基带信号经AD9957正交调制直接上变频至III波段信号，完成RF级信号的输出，且要满足一定的输出功率。此方案虽满足高集成度与的小型化的要求，但在设计基于AD9957的OFDM的通信系统中，对于射频级RF信号的边带噪声、带外抑制、邻道抑制比等衡量射频信号频谱的关键性指标中，表现并不良好，难以实现在满足输出功率的要求下保持良好的输出频谱并降低带外噪声，且会存在一定的信号失真。
边带抑制恶化的原因主要来自于本振频率的相位噪声及相噪引起的系统时钟抖动。不稳定的系统时钟直接导致DAC的采样时钟抖动。DAC使用噪声时钟进行采样，会使射频输出频谱带外抑制的性能进一步恶化。此外，在使用AD9957正交调制器内部锁相环的残留相位噪声明显大于旁路调制器内部锁相环时所产生的相位噪声，如图5、6所示。因此，需设计具有低相位噪声的频率源电路。设计采用HMC832集成VCO(voltage-controlledoscillator，压控振荡器)的整数N\小数N分频锁相环频率合成器，替换AD9957内部锁相环。结合软件控制，实现输出高频率分辨率，低噪声，低杂散，功率可控的基准频率。同时频率合成器支持输出500Mhz～800Mhz，且在此范围内支持频率连续调谐，满足AD9957对参考频率范围、功率等要求，以实现高质量的本振频率。
本发明采用集成VCO的锁相环频率合成器。在所有VCO中，尤其是集成VCO的射频IC中，一般都存在谐波，大量的本振频率的谐波成分会引起幅度和相位的不匹配，最终导致调制器边带抑制性能下降。二次和三次谐波均会影响调制器边带抑制性能。锁相环HMC832在输出1032.192Mhz的频率时，分别在2064.384Mhz、3096.576Mhz存在较大能量的镜像。锁相环输出频率滤波器采用低通可调谐滤波器HMC1044，以滤除锁相环输出频率中的镜像、谐波等频率分量，对2Ghz及3Ghz的镜像有明显的抑制，二次和三次本振信号谐波衰减，均能改善调制器边带抑制的性能，进而提高AD9957参考频率的质量，优化了调制器边带抑制性能。
为满足射频输出功率，通过在调制器输出后级联低噪声放大器增大射频输出增益。低噪放采用ADA4961宽带低失真数字增益控制放大器。支持功率增益-3dB至+18dB可调,数字调整能力具有1dB分辨率，满足射频发射端对信号功率控制的要求。RF信号经低噪放放大后，通过巴特沃斯带通滤波器(图4)，进一步滤除放大器带出的高频分量，以使发射板输出频谱更为纯净。
按照本发明设计的用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其输出频谱如图5所示，发射链路射频端PCB如图6所示，中心频率220.352Mhz，输出信道功率-15.6dBm。偏中心频率970khz带外抑制42.3dB，偏中心频率3Mhz带外抑制56.1dB。满足射频输出频谱特性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其特征在于，包括：恒温晶振、锁相环、环路滤波器、低通滤波器、射频信号输出单元、AD9957正交调制电路和FPGA电路；所述恒温晶振输出频率至锁相环，所述锁相环同时控制和响应于环路滤波器，所述低通滤波器响应于锁相环，所述AD9957正交调制电路同时控制和响应于FPGA电路；所述FPGA电路发送I/Q数据至AD9957正交调制电路；所述I/Q数据以时序交错的形式通过并行同步时钟送入AD9957正交调制电路；
所述AD9957正交调制电路包括解复用器、半带滤波器、CCI滤波器、系统时钟控制器、时钟分频器、数字调制器1、数字调制器2、数字控制振荡器、反Sinc滤波器、数字幅度调节电路和数模转换器；所述解复用器的输入端接收I/Q数据，所述解复用器的输出端连接半带滤波器的输入端，所述半带滤波器的输出端连接CCI滤波器的输入端，所述CCI滤波器输出端1的I波输出数据和数字控制振荡器的余弦本振信号数据经数字调制器1调制后输出载波数据A；所述CCI滤波器输出端2的Q波输出数据和数字控制振荡器的正弦本振信号数据经数字调制器2调制后输出载波数据B；所述载波数据A和载波数据B相加后产生正交调制数据流，所述数据流通过反Sinc滤波器处理后输出数字调制信号，所述数字调制信号经过数字调节电路的数字增益控制后输出IF数字信号，所述数字IF信号经数模转换器处理后输出模拟IF信号；所述数模转换器的型号为14位电流型数模转换器；
其中，所述射频信号输出单元包括阻抗变换器、滤波器1、滤波器2和放大器；所述阻抗变换器的输入端连接AD9957正交调制电路中的数模转换器，所述阻抗变换器的输出端连接滤波器1的输入端，所述滤波器1的输出端连接放大器的输入端，所述放大器的输出端连接滤波器2的输入端，所述滤波器2的输出端连接射频输出端。
2.根据权利要求1所述的用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其特征在于，所述滤波器1采用7阶椭圆低通滤波器，所述滤波器2采用巴特沃斯带通滤波器。
3.根据权利要求1所述的用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其特征在于，所述锁相环包括控制寄存器、K分频器、压控振荡器、使能控制器、N分频、R分频、鉴相器和电荷泵。
4.根据权利要求3所述的用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其特征在于，所述控制寄存器控制N分频器，所述使能控制器的输出端连接N分频的输入端，所述R分频的输入端连接恒温晶振；所述N分频器输出端和R分频器的输出端同时连接鉴相器的输入端，所述鉴相器的输出端连接电荷泵的输入端，所述电荷泵的输出端连接环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端连接压控振荡器的输入端，所述压控振荡器的输出端同时连接使能控制器的输入端和K分频的输入端，所述K分频的输出端连接低通滤波器。
5.根据权利要求1所述的用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其特征在于，所述低通滤波器的型号为HMC1044。
6.根据权利要求1所述的用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其特征在于，所述恒温晶振器的频率为50MHz。
7.根据权利要求1所述的用于数字广播发射机的小型化上变频及射频前端电路，其特征在于，所述系统时钟控制器接收低通滤波器滤波后的本振频率，所述系统时钟控制器同时发出时钟信号和本振信号，所述时钟分频器接收系统时钟控制器所发出的时钟信号，所述数字控制振荡器接收系统时钟控制器所发出的本振信号；所述时钟分频器在接收到时钟信号后向FPGA电路发送同步时钟信号。
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