文/王乾

1 引言

為了適應(yīng)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求，世界各國(guó)通信設(shè)備都是朝著標(biāo)準(zhǔn)化、綜合化、系列化和通用化的方向發(fā)展。其中的綜合化發(fā)展就是要減少通信平臺(tái)數(shù)量、提高通信平臺(tái)效率，要求在同一個(gè)通信平臺(tái)上部署多種通信設(shè)備。然而，在同平臺(tái)同時(shí)工作的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，兩者的發(fā)射電平和接收電平相差很大，而且同平臺(tái)的空間限制會(huì)使收發(fā)天線(xiàn)的隔離度十分有限，造成盡管收發(fā)的頻率不同但是發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)仍然會(huì)在接收機(jī)輸入端產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾電壓。這個(gè)干擾電壓會(huì)使無(wú)線(xiàn)電臺(tái)的通信質(zhì)量會(huì)受到很大影響，而且當(dāng)這個(gè)干擾電壓超過(guò)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，極有可能造成接收機(jī)阻塞而無(wú)法工作。因此，有必要在接收機(jī)的輸入端抵消來(lái)自同平臺(tái)通信設(shè)備的強(qiáng)干擾信號(hào)。

矢量調(diào)制器作為干擾抵消器等電磁兼容、抗干擾系統(tǒng)的核心部件，對(duì)干擾抵消性能有著非常關(guān)鍵的影響。矢量調(diào)制器用于對(duì)耦合的干擾信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生與干擾信號(hào)等幅反相的對(duì)消信號(hào)。設(shè)干擾信號(hào)和耦合的干擾信號(hào)在同一極坐標(biāo)系下，要達(dá)到對(duì)耦合干擾信號(hào)的有效調(diào)整，矢量調(diào)制器需要具有信號(hào)任意大小的放大和縮小的能力以及極坐標(biāo)系下360°的任意相位的調(diào)整能力。信號(hào)的放大和衰減在工程上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，信號(hào)的移相盡管在理論上可以采用移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是要實(shí)現(xiàn)可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用的精確移相控制很難。

本文針對(duì)這一需求提出了一種適合工程化實(shí)現(xiàn)的高精度數(shù)控矢量調(diào)制器設(shè)計(jì)方案。

2 正交矢量調(diào)制原理及模型分析

為了滿(mǎn)足工程化需要，對(duì)信號(hào)調(diào)整采用工程中常用的正交信號(hào)調(diào)整方式，即把對(duì)一個(gè)信號(hào)360°相位調(diào)整轉(zhuǎn)化為對(duì)其投影的兩路正交信號(hào)的幅度調(diào)整和反相調(diào)整。

如圖1所示，要把采樣信號(hào)矢量B調(diào)整到與干擾信號(hào)矢量A等幅反相，采用正交坐標(biāo)軸上的兩個(gè)矢量AI和AQ來(lái)合成所需要的矢量B。

對(duì)于矢量AI和AQ，我們只需要調(diào)整幅度和進(jìn)行180°的反相，就能使其合成矢量B在坐標(biāo)軸上實(shí)現(xiàn)0°～360°的相位旋轉(zhuǎn)，并且其幅度也可通過(guò)調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸上的兩個(gè)矢量進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣就將對(duì)一個(gè)矢量信號(hào)進(jìn)行相位和幅度調(diào)整的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成工程上更容易實(shí)現(xiàn)的對(duì)兩個(gè)正交信號(hào)的幅度調(diào)整和180°反相的問(wèn)題。

典型的正交矢量調(diào)制器模型如圖2所示。

一個(gè)典型的正交矢量調(diào)制器由一個(gè)正交耦合器、一個(gè)功率合成器以及兩個(gè)可調(diào)衰減器及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。正交耦合器主要將一路信號(hào)分為I、Q兩路信號(hào)，功率合成器負(fù)責(zé)將兩路信號(hào)合成一路信號(hào)。

在實(shí)際通過(guò)電壓控制電調(diào)衰減器對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減時(shí)，一般要求控制量隨電壓是連續(xù)變化的，如果衰減量隨控制電壓的變化不是線(xiàn)性，那么設(shè)計(jì)的衰減器電壓控制方案會(huì)特別復(fù)雜。所以在選擇電調(diào)衰減器時(shí)，盡可能選擇線(xiàn)性度好的器件以簡(jiǎn)化后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文使用ADI公司的HMC973A型電調(diào)衰減器進(jìn)行后續(xù)的高精度要求設(shè)計(jì)，其具有出色的線(xiàn)性度。

3 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的數(shù)字化

本文提出了一種將傳統(tǒng)可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)數(shù)字化的方案。方案主要包括兩方面內(nèi)容：

（1）將可調(diào)衰減器的控制接口與控制信息設(shè)計(jì)數(shù)字化。在應(yīng)用時(shí)，使用者只需根據(jù)需要調(diào)制的情況，按照規(guī)定的通信協(xié)議，向可調(diào)衰減器輸入待產(chǎn)生的衰減量，可調(diào)衰減器內(nèi)部就能計(jì)算出I路通道和Q路通道上分別需要設(shè)置的衰減量，達(dá)到信號(hào)衰減的目的，從而很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)衰減器的控制，降低使用者對(duì)可調(diào)衰減器的應(yīng)用成本。

（2）在矢量調(diào)制器內(nèi)部，將產(chǎn)生壓控電調(diào)衰減器控制電壓的電壓產(chǎn)生電路數(shù)字化。采用DAC與運(yùn)放電路結(jié)合的方式產(chǎn)生壓控電調(diào)衰減器的控制電壓，這樣只需要提高DAC的位數(shù)，就可以提高所產(chǎn)生控制電壓的分辨率。集成高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路與可調(diào)運(yùn)放電路，進(jìn)而將輸入的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓控電調(diào)衰減器的控制電壓，以達(dá)到提高正交矢量調(diào)制器的調(diào)制精度的目的。

圖1：正交信號(hào)合成示意圖

3.2 衰減量與控制電壓的關(guān)系

3.2.1 衰減量與控制電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系

要想實(shí)現(xiàn)正交矢量調(diào)制器通過(guò)對(duì)耦合信號(hào)衰減調(diào)節(jié)構(gòu)造出一個(gè)與干擾信號(hào)等幅反相的對(duì)消信號(hào)，首先要推導(dǎo)出待調(diào)制信號(hào)所需衰減量和相移量與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器所需變化量的關(guān)系。

設(shè)使用者需要對(duì)待調(diào)制信號(hào)的需要進(jìn)行的幅度調(diào)制為xdB，相位調(diào)制為θ°，那么調(diào)制后的信號(hào)歸一化輸出電壓的大小，可以用公式（2）表示：

由于I路通道上的信號(hào)和Q路通道上的信號(hào)，是由90°的功分器分配而成的，再經(jīng)過(guò)壓控電調(diào)衰減器對(duì)幅度和相位的調(diào)制，最后通過(guò)功率合成器合成調(diào)制信號(hào)。因此I路通道上調(diào)制后信號(hào)歸一化輸出電壓大小與Q路通道上調(diào)制后的信號(hào)歸一化輸出電壓大小以及整體調(diào)制后的信號(hào)歸一化輸出電壓的大小成矢量合成分解的關(guān)系，即滿(mǎn)足進(jìn)而可以得到VI、VQ的與V的關(guān)系如公式（3）和公式（4）所示：

根據(jù)以上的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)行解析計(jì)算，就可以得到I路通道上的壓控電調(diào)衰減器需要的衰減值為而Q路通道上的壓控電調(diào)衰減器需要的衰減值為

從這個(gè)解析計(jì)算過(guò)程中可以看出，如果調(diào)整壓控電調(diào)衰減器的衰減量，使得合成矢量的幅度大小保持固定，則高精度數(shù)字矢量調(diào)制器就成為一個(gè)固定幅度的高精度數(shù)字移相器。

3.2.2 建立衰減量與控制電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)前文的分析，在建立高精度數(shù)字壓控電調(diào)調(diào)制器的控制信息與I路通道上和Q路通道上各自的壓控電調(diào)衰減器的控制電壓的關(guān)系時(shí)，最主要的設(shè)計(jì)依據(jù)就是本文的研究目標(biāo)，即保證待調(diào)制信號(hào)的幅度可調(diào)精度 。

那么在高精度數(shù)字矢量調(diào)制器研制時(shí)，根據(jù)前文對(duì)高精度數(shù)字矢量調(diào)制器的衰減量和相移量與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器衰減量的分析。I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器的可調(diào)精度也應(yīng)該滿(mǎn)足的衰減步進(jìn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，至少都應(yīng)該按照 的衰減步進(jìn)來(lái)設(shè)計(jì)。所以，在對(duì)與I路通道上和Q路通道上各自壓控電調(diào)衰減器衰減狀態(tài)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，就按照的衰減步進(jìn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么為了保證衰減量要達(dá)到，同時(shí)還至少包括10/0.01=1000種狀態(tài)。為了方便對(duì)衰減狀態(tài)進(jìn)行編碼，最終將衰減狀態(tài)設(shè)計(jì)成1024種衰減狀態(tài)，即在雙極性下，設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)的衰減范圍，衰減精度為

以本文選用的HMC973A壓控電調(diào)衰減器為例，其控制電壓與衰減量線(xiàn)性度最好的部分是在控制電壓在1V～16V范圍內(nèi)，衰減量為的范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)電調(diào)衰減器時(shí)，我們主要利用這段線(xiàn)性區(qū)域。

如表1所示。

3.3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵電路

壓控電調(diào)衰減器的控制電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，分別是DAC電路設(shè)計(jì)和運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)?？刂齐妷褐档漠a(chǎn)生是由DAC電路與運(yùn)算放大電路共同完成的，兩者的作用分別歸納如下：DAC電路實(shí)現(xiàn)將控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電壓值，每一種控制狀態(tài)和每一個(gè)歸一化電壓是互相唯一對(duì)應(yīng)的，也就是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電壓/電流；運(yùn)算放大電路主要是將DAC電路產(chǎn)生的電流/電壓值，轉(zhuǎn)換到需要的控制電壓。

3.4 DAC的選型分析

理論上講，DAC器件選擇使用電壓型輸出和電流型輸出，對(duì)產(chǎn)生所需要的電壓沒(méi)有區(qū)別，都可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生所需要的控制電壓。但在工程應(yīng)用中，兩者在使用上，還是存在明顯的差異。

采用電壓型輸出DAC器件，在遠(yuǎn)距離傳輸或者是電磁干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，存在電壓損耗大，抗干擾能力差的問(wèn)題，容易導(dǎo)致所產(chǎn)生的可調(diào)衰減器控制電壓不準(zhǔn)確，進(jìn)而降低高精度數(shù)字矢量調(diào)制器的調(diào)制精度。正交矢量調(diào)制器作為干擾抵消器的核心器件，使用環(huán)境的電磁環(huán)境相當(dāng)惡劣，即使在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加入分腔屏蔽結(jié)構(gòu)來(lái)大幅降低干擾信號(hào)的影響，也不能完全消除這種干擾。一旦存在這種干擾，或多或少會(huì)使控制電壓上疊加交流分量，導(dǎo)致控制電壓的波動(dòng)不穩(wěn)定。通過(guò)前面對(duì)所需控制電壓產(chǎn)生精度的分析，知道控制電壓的最小精度要達(dá)到15mV，所以對(duì)干擾屏蔽的要求就非常高。而電流型器件則不然，其抗干擾能力非常好，可以認(rèn)為不會(huì)影響壓控電調(diào)衰減器控制電壓的精度。因此矢量調(diào)制器選取電流型DAC來(lái)設(shè)計(jì)控制電路更合適。

表1：衰減量與控制電壓對(duì)照表

DAC的采樣率同需要從系統(tǒng)需求和成本兩方面考慮。采樣率不宜太小，否則它的帶內(nèi)處理增益較小，對(duì)它的SNR要求相應(yīng)的就會(huì)提高，采樣率過(guò)高，成本也會(huì)增大。本文選擇ADI公司的AD9776型DAC可以滿(mǎn)足上述要求。AD9776具有的12位控制字可以完成1024種狀態(tài)的控制與選擇，另外采樣率1GSPS也完全能夠滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

3.5 運(yùn)算放大電路

使用電流型DAC在復(fù)雜電磁環(huán)境中有很好的抗干擾的性能，但是也有其不利因素，由于器件是電流型輸出，而衰減器是壓控衰減器，需要將電流型信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓型信號(hào)。

電流轉(zhuǎn)電壓的設(shè)計(jì)主要有兩種方式：在電流信號(hào)上接一個(gè)電阻直接將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；接一個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。如果采用第一種轉(zhuǎn)換方式，后續(xù)的運(yùn)算放大電路，會(huì)對(duì)輸出的電流信號(hào)形成分流，從而降低產(chǎn)生的電壓，進(jìn)而造成可調(diào)衰減器控制電壓精度降低。所以采用運(yùn)算放大器來(lái)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)具有更大的優(yōu)勢(shì)。其電路原理圖如圖3。

使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)完成電流轉(zhuǎn)換為電壓的同時(shí)，也可以將該電壓直接轉(zhuǎn)換到所需要的控制電壓。

由放大器的虛短虛斷性質(zhì)，可有：

由于A(yíng)D9776的輸出電流的范圍為8.7mA～31.7mA，將電流代入公式（5），可以計(jì)算得到

4 結(jié)束語(yǔ)

圖2：典型的正交矢量調(diào)制器模型

圖3：電流轉(zhuǎn)電壓電路原理圖

本文通過(guò)闡述正交矢量調(diào)制原理，構(gòu)建正交矢量調(diào)制器模型，選取適合工程化實(shí)現(xiàn)的主流可靠器件，建立了基于壓控電調(diào)衰減器的前端模型，接著進(jìn)行了控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)的高精度設(shè)計(jì)依據(jù)，通過(guò)分析衰減量與數(shù)字電壓的關(guān)系，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)關(guān)鍵電路，完成了適合工程化實(shí)現(xiàn)的高精度數(shù)控矢量調(diào)制器的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)分析驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控矢量調(diào)制器取得了滿(mǎn)意的結(jié)果。