武漢中原電子集團(tuán)有限公司　張　軍

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模擬與數(shù)字信號(hào)的正交調(diào)制原理與實(shí)現(xiàn)

武漢中原電子集團(tuán)有限公司張軍

正交調(diào)制技術(shù)是軟件無線電體系中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在分析正交調(diào)制基本原理的基礎(chǔ)上，介紹了模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制的正交分解方法和基于AD9364平臺(tái)的通用正交調(diào)制方案，為多模式調(diào)制設(shè)計(jì)提供借鑒。

軟件無線電；正交調(diào)制；AD9364

1　引言

軟件無線電是現(xiàn)代通信技術(shù)的重要研究領(lǐng)域和發(fā)展方向，其基本設(shè)計(jì)思想是搭建一個(gè)通用的硬件平臺(tái)，在此硬件平臺(tái)上通過加載各種軟件來實(shí)現(xiàn)無線電系統(tǒng)的功能。在軟件無線電技術(shù)體系中，關(guān)鍵技術(shù)之一是正交調(diào)制技術(shù)。所謂正交調(diào)制，又稱為IQ調(diào)制，是指用基帶信號(hào)的同相分量和正交分量分別調(diào)制兩路正交的載波信號(hào)后相加來實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)的調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)將硬件平臺(tái)與基帶成型相對(duì)獨(dú)立，便于用FPGA處理基帶信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)多模式調(diào)制，因而在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中得到廣泛采用。

本文首先分析了正交調(diào)制的基本原理，然后具體介紹了模擬和數(shù)字信號(hào)的正交分解方法，最后介紹了一種基于AD9364平臺(tái)的通用正交調(diào)制方案，為多模式調(diào)制設(shè)計(jì)提供借鑒。

2　正交調(diào)制基本原理

對(duì)于已調(diào)射頻信號(hào)，其波形可表示為：

它由振幅A（t）、載頻fc（t）和相位ψ（t）定義，其中，A（t）、ψ（t）表征基帶信號(hào)特征。將式（2-1）展開得：

令

可得：

由式（2-5）可以看出，信號(hào)S（t）的波形可由完備的兩個(gè)歸一化正交函數(shù)的線性組合構(gòu)成，此兩個(gè)歸一正交基函數(shù)f1（t）與f2（t）為

由此，我們便可得到信號(hào)S（t）的矢量表示，如式（2-7）所示。

其中，I（t）與Q（t）是基帶信號(hào)A（t）的同相與正交分量，

于是，已調(diào)信號(hào)S（t）可以看作是基帶信號(hào)I（t）和Q（t）分別調(diào)制相差90°的載波cos（2πfct）和-sin（2πfct）的信號(hào)和?？梢?，任何一種信號(hào)調(diào)制可用正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)。

3　模擬與數(shù)字信號(hào)的正交調(diào)制

3.1調(diào)幅（AM）信號(hào)的正交調(diào)制

調(diào)幅是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的振幅，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的調(diào)制方式。標(biāo)準(zhǔn)AM信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如式（3-1）示。

3.2調(diào)頻（FM）信號(hào)的正交調(diào)制

調(diào)頻是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的頻率，使高頻載波的頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化而振幅保持恒定的調(diào)制方式。調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如式（3-3）所示。

設(shè)調(diào)制信號(hào)m（t）=Amcos?mt，則式（2-3）可進(jìn)一步分解為

此時(shí)，令

可得FM信號(hào)正交調(diào)制表達(dá)式：

3.3調(diào)相（PM）信號(hào)的正交調(diào)制

調(diào)相是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的相位，使高頻載波的相位按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化而振幅保持恒定的調(diào)制方式。調(diào)相信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如式（3-7）所示。

設(shè)調(diào)制信號(hào)m（t）=Amcos?mt，則式（3-7）可進(jìn)一步分解為

同理，令

可得PM信號(hào)正交調(diào)制表達(dá)式：

3.4M進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的正交調(diào)制

在M進(jìn)制振幅鍵控（MASK）調(diào)制中，在M進(jìn)制符號(hào)間隔內(nèi)，M進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的載波振幅是M個(gè)可能的離散電平之一，。其中每個(gè)電平對(duì)應(yīng)于K個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。

MASK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如式（3-11）所示。

式中，Ts=KTb表示M進(jìn)制符號(hào)間隔，Tb為二進(jìn)制符號(hào)間隔。

由式（3-11）可得，MASK信號(hào)正交調(diào)制的I、Q兩路信號(hào)分別為：

3.5M進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的正交調(diào)制

在M進(jìn)制移頻鍵控（MFSK）調(diào)制中，在M進(jìn)制符號(hào)間隔Ts內(nèi)，已調(diào)信號(hào)的載波頻率是M個(gè)可能的離散值之一，其中每個(gè)載頻對(duì)應(yīng)于K個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。

MFSK信號(hào)表示式如式（3-13）所示。

展開得：

同理的MFSK信號(hào)正交調(diào)制的I、Q兩路信號(hào)分別為：

結(jié)合式（3-14），可得MFSK信號(hào)正交調(diào)制表達(dá)式：

3.6M進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的正交調(diào)制

在M進(jìn)制移相鍵控（MPSK）調(diào)制中，在M進(jìn)制符號(hào)間隔內(nèi)，已調(diào)信號(hào)的載波相位是M個(gè)可能的離散相位之一，其中每個(gè)載波相位對(duì)應(yīng)于K個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。

MPSK信號(hào)表示式如式（3-16）所示。

展開得到

此時(shí)，令

可得MPSK信號(hào)正交調(diào)制表達(dá)式：

4　基于AD9364的正交調(diào)制硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1正交調(diào)制器原理方案

基于上述正交調(diào)制模型的分析，設(shè)計(jì)通用正交調(diào)制方案，其原理框圖如圖1所示。

圖1　正交調(diào)制器原理框圖

從圖1可以看到，基帶信號(hào)經(jīng)串并變換或映射處理轉(zhuǎn)換成I、Q兩路送入正交調(diào)制器，正交調(diào)制器通過成形濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模擬基帶濾波等，將兩路信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并與LO輸出的正交載波相乘后相加，生成已調(diào)射頻信號(hào)。通過控制LO頻率，便可得到不同頻率的調(diào)制信號(hào)。

4.2基于AD9364的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于上述通用方案構(gòu)想，考慮到調(diào)制器小型化、可編程、外圍電路簡單的發(fā)展趨勢，硬件平臺(tái)核心電路采用FPGA+AD9364的架構(gòu)。架構(gòu)原理框圖如圖2所示。

AD9364是一款高性能、高集成度RF捷變收發(fā)器。該器件的可編程性和寬帶能力使其成為多種收發(fā)器應(yīng)用的理想選擇。該器件集RF前端與靈活的混合信號(hào)基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供可配置數(shù)字接口，從而簡化設(shè)計(jì)導(dǎo)入。

其主要特征包括：1）集成12位DAC和ADC的RF 1×1收發(fā)器；2）頻段：70MHz至6.0GHz ；3）可調(diào)諧通道帶寬：＜200kHz至56MHz；4）雙通道接收器：6路差分或12路單端輸入；5）出色的接收器靈敏度，噪聲系數(shù)小于2.5dB；6）可編程速率的內(nèi)插濾波器。

圖2　基于AD9364硬件平臺(tái)架構(gòu)

從圖2可以看到，模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至FPGA，而數(shù)字信號(hào)直接送至FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)設(shè)定的調(diào)制類型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、映射等處理，形成數(shù)字基帶信號(hào)，然后將數(shù)字基帶信號(hào)送至正交調(diào)制器AD9364，AD9364根據(jù)需要對(duì)I、Q兩路基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波及插值處理，以匹配數(shù)字載波數(shù)率。插值后，兩路數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、模擬基帶濾波器，與正交的兩路載波信號(hào)相乘后求和，產(chǎn)生已調(diào)射頻信號(hào)，完成信號(hào)的正交調(diào)制。

根據(jù)AD9364器件資料，AD9364內(nèi)部集成VCO，可實(shí)現(xiàn)70MHz至6.0GHz頻率輸出，涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，且器件外圍電路簡單，編程應(yīng)用豐富?？梢?，采用FPGA+AD9364的架構(gòu)，可以容易實(shí)現(xiàn)滿足模擬與數(shù)字信號(hào)正交調(diào)制需求的通用正交調(diào)制平臺(tái)。

5　結(jié)束語

本文在分析模擬與數(shù)字信號(hào)正交調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，提出的基于AD9364的通用正交調(diào)制平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)70 MHz至6.0 GHz頻率輸出，且該平臺(tái)采用FPGA控制，可以靈活地實(shí)現(xiàn)多模式調(diào)制，從而滿足大多數(shù)軟件無線電平臺(tái)的應(yīng)用需求。

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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