單月忠，劉太君，葉焱，劉明偉

（寧波大學通信技術研究所，浙江 寧波 315211）

1 引言

長期以來，超外差式電路結構主宰著無線發(fā)射機。超外差式體系結構能夠在中頻濾除寬帶噪聲、鏡像和雜散分量[1]，但是超外差技術最主要的問題涉及到鏡像抑制，且需要多次濾波和混頻，不便于集成、功耗大[2]。隨著通信技術的發(fā)展，電子系統(tǒng)和電子設備對RFID技術在低頻段、單頻點、近距離識別方面越來越難以滿足需求[3]。由于目前RFID技術使用頻段主要以低頻的135kHz及13.56MHz為主，這2個頻段輸出功率小且傳輸距離較短（5～70cm），RFID閱讀器也只能識別一個標簽[4-5]。

直接上變頻技術能夠?qū)⒒鶐盘栔苯影嵋频缴漕l載頻。其具有低復雜性、低成本、高靈活性等優(yōu)點，且不需要中頻放大、濾波、變頻等電路，從而極大地減小了發(fā)射機的體積、重量和功耗[6-7]。

因此，考慮到國內(nèi)外對RFID閱讀器在915MHz與2.45GHz頻段研究不多，本文提出了基于ADL5385芯片，利用上位機軟件，采用直接上變頻技術來解決上述存在的問題。

2 整體設計框架

本系統(tǒng)采用直接上變頻技術來實現(xiàn)，整體電路結構如圖1所示：

圖1 整體電路結構框圖

具體過程是：首先上位機發(fā)送數(shù)據(jù)指令給單片機，來選擇發(fā)射的頻段和射頻輸出衰減量；然后由單片機控制AD9850 DDS模塊輸出30.72MHz的基準頻率來作為ADF4351的參考時鐘頻率；接著該頻率進入ADF4351的鎖相環(huán)和倍頻器后差分輸出，該差分信號源充當本振信號源輸入ADL5385上變頻芯片，同時基帶信號經(jīng)過巴倫后變成的差分信號也輸入ADL5385上變頻芯片；最終上變頻后的信號通過單片機控制的數(shù)字衰減芯片HMC624LP4和低噪放芯片BL051后，得到所需功率大小的射頻信號，經(jīng)SMA接頭輸出。其中，ADF4351、HMC624LP4的數(shù)據(jù)傳輸線和串行時鐘線共用，它們各自的SPI數(shù)據(jù)均由單片機STC12C5A60S2提供。

對于ADF4351 環(huán)路濾波器配置參數(shù)，運用ADIsimPLL軟件進行仿真和設計。通過對鎖相環(huán)硬件電路的調(diào)試和編寫相關單片機控制程序，實現(xiàn)一個高性能的本振信號源。

3 本振信號源的設計及實現(xiàn)

本振信號源需要有低相位噪聲和高無雜散動態(tài)范圍，本設計采用ADF4351鎖相倍頻芯片來產(chǎn)生本振信號源。

3.1 輸入輸出外圍電路

如圖2所示，ADF4351基準輸入頻率REFin為30.72MHz，同時接收單片機輸出的數(shù)據(jù)傳輸線DATA、串行時鐘線CLK、使能控制線LE，通過ADF4351的鎖相和倍頻后輸出一對差分本振信號源。

圖2 輸入輸出外圍電路

3.2 環(huán)路濾波器仿真設計

本設計采用的是一個三階RC濾波器。ADI公司提供的鎖相環(huán)電路配套設計軟件ADIsimPLL 3.0中已經(jīng)包括了16種環(huán)路濾波器結構（其中還包含高階的有源濾波器），通過這個軟件可以很方便地設計環(huán)路濾波器的參數(shù)值，并能通過修改環(huán)路帶寬、相位裕量、零極點值等來修改各參數(shù)值。

環(huán)路濾波器是一個低通濾波器，用來濾除高頻雜散信號。本設計的環(huán)路帶寬為20kHz，環(huán)路濾波器的具體參數(shù)可以通過ADIsimPLL仿真軟件設計。經(jīng)過優(yōu)化后的環(huán)路濾波器的仿真圖如圖3所示。

3.3 本振信號源輸出頻譜

圖3 優(yōu)化后的環(huán)路濾波器

以輸出915MHz頻率為例，輸出采用安捷倫頻譜儀測試頻譜，中心頻率設為915MHz，掃頻寬度（SPAN）設為40MHz。ADF4351輸出頻譜如圖4所示。基準頻率為30.72MHz，經(jīng)過ADF4351鎖相倍頻輸出的本振信號源功率超過-5dBm，且具有無雜散動態(tài)范圍高、頻率穩(wěn)定的特點，達到設計要求。

圖4 本振信號源輸出頻譜

4 直接上變頻設計

直接上變頻芯片采用ADL5385來完成，本振信號源由ADF4351提供，基帶信號由安捷倫信號發(fā)生器產(chǎn)生的10MHz的頻率提供。其外圍電路如圖5所示：

圖5 ADL5385外圍電路

ADF4351產(chǎn)生的一對差分信號LO_P、LO_N，與信號發(fā)生器產(chǎn)生10MHz的基帶信號通過巴倫由單端信號變成差分信號的IN_Q、IN_I，同時輸入到ADL5385芯片，經(jīng)過直接上變頻后，通過100nF的電容輸出已調(diào)制的射頻信號 。其中，基帶信號IN_Q、IN_I通過的巴倫需要在中間抽頭加上0.5V的直流電壓。

5 數(shù)字衰減器和低噪放部分的設計

數(shù)字衰減器和低噪放匹配電路設計如圖6所示：

圖6 數(shù)字衰減器和低噪放匹配電路設計

數(shù)字衰減器采用HMC624LP4芯片，該芯片衰減范圍能夠從0dB到31.5dB；低噪放采用BL051芯片，該芯片在900MHz到3.5GHz的頻段范圍內(nèi)有14dB左右的放大能力。ADL5385直接上變頻后輸出的射頻信號，經(jīng)過數(shù)字衰減器和低噪放，完全能夠滿足控制輸出信號的功率。單片機控制數(shù)字衰減器芯片采用SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，跟ADF4351共用數(shù)據(jù)傳輸線和串行時鐘線，但是分別各自采用使能控制線。調(diào)制好的射頻信號輸入HMC624LP4數(shù)字衰減器芯片，經(jīng)過匹配后輸入到BL051低噪放芯片，最后匹配后輸出。

6 上位機界面及硬件電路實現(xiàn)

6.1 上位機軟件界面

上位機軟件界面采用Microsoft Visual Studio 2008進行編寫，并選擇頻段控件和衰減量控件來完成對其軟件界面的設計。當需要選擇發(fā)射本振信號頻率時，只需在上位機軟件界面的頻段控件中選擇發(fā)射本振信號源的頻率為915MHz或2.45GHz，即可實現(xiàn)發(fā)射頻段的控制；當需要使數(shù)字衰減器衰減發(fā)射信號的功率時，只需在上位機軟件界面的衰減量控件中輸入所需衰減量的值，即可完成對發(fā)射信號的功率控制。

6.2 硬件電路設計及實現(xiàn)

PCB 版圖的設計是利用Cadence 公司的軟件OrCAD Capture CIS和PCB Editor，所畫電路板為4層。其中，數(shù)字地和模擬地進行了分割處理，目的是為了減小數(shù)字部分電路和模擬部分電路的相互影響，使電路板性能提高，數(shù)字地和模擬地最終都通過0歐姆電阻進行相互連接。電源部分由于ADF4351和數(shù)字衰減器HMC624LP4芯片供電為3.3V，而上變頻芯片ADL5385和低噪放芯片BL051供電為5V，同時為了減少模擬部分頻率源的輸出電路和數(shù)字部分單片機的控制電路之間的相互影響，也進行了電源分割的處理?？紤]到降低邊緣輻射的效應，采用20H原則，即電源層邊緣比地層邊緣縮進20倍的層與層間距。

焊接調(diào)試完成后的電路板實物如圖7所示。該電路板結構主要分為電源、DDS模塊、單片機、上位機和發(fā)射電路這5部分。其中，外接輸入電壓為9V，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換模塊后輸出電壓為5V，5V電壓經(jīng)過LT1085電壓轉(zhuǎn)換芯片后輸出為3.3V，符合電路板正常工作所需的電壓和電流。

圖7 電路板實物圖

7 性能測試

以915MHz頻率為例，設置數(shù)字衰減器衰減量為8dB，本振信號源由AD9850 DDS模塊產(chǎn)生30.72MHz的頻率經(jīng)過鎖相倍頻后得到，本振信號源的頻段由上位機軟件來控制選擇?；鶐盘?0MHz由安捷倫信號發(fā)生器產(chǎn)生，輸出采用安捷倫頻譜儀測試頻譜，中心頻率設為915MHz，掃頻寬度（SPAN）設為30MHz。直接上變頻后測試的輸出射頻信號頻譜如圖8所示。輸出的射頻信號905MHz和925MHz的功率達到0dBm以上，且輸出射頻信號的頻點性能穩(wěn)定。

圖8 直接上變頻后輸出頻譜

8 結束語

本文結合ADF4351、ADL5385、HMC624LP4、BL051和STC12C5A60S2芯片以及AD9850 DDS模塊，通過上位機軟件控制，實現(xiàn)了多頻段可調(diào)直接上變頻發(fā)射電路，并給出了上位機軟件控制界面和直接上變頻的電路設計及其實現(xiàn)過程。以915MHz直接上變頻的設計過程和實現(xiàn)方法為例，給出了外圍電路及頻率合成器、環(huán)路濾波器的設計中的關鍵參數(shù)。通過對硬件電路的調(diào)試和性能優(yōu)化，實現(xiàn)了一個結構簡單的直接上變頻發(fā)射電路，解決了RFID在射頻段輸出功率小、頻段不可調(diào)的難點，從而提高了發(fā)射電路在射頻段輸出的功率，并增加了RFID在射頻段的識別和通信距離。

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