QPSK射频直接调制电路

1、1.1 QPSK调制器设计调制器作为系统中的核心部分，对系统的实现起着至关重要的作用。根据系统要求调制方式为QPSK调制，且为直接调制到射频，选取I/Q正交调制器实现本过程。I/Q正交调制器首先将本振信号通过功分器形成两路正交信号，然后与I/Q信号进行混频，最后经过合路器合成一路信号，其理框图如图 3.1所示。图 Error! No text of specified style in document.1 I/Q正交调制器原理框图由于系统要求基带信号为差分输入，考虑到差分信号具有抗干扰新能力，所以拟采用差分输入的调制芯片。下面将分别从调制器电路的设计和I/Q差分信号的输入电路设计两个方面详细

2、介绍。1.1.1 调制器电路设计通过比较，拟选用ADL5375，此芯片不仅满足我们对调制信号带宽、EVM、幅度和相位不平衡度的要求，同时通过差分放大器给I/Q输入信号加合适的共模电压，可调整调制芯片IQ输入端的基准电压，达到调整载波抑制的目的。调制芯片覆盖了400-6000MHz频率范围。ADL5375具有内部50匹配的差分本振输入，亦可单端输入。允许本振的输入驱动功率为0dBm。载波信号经过功分器产生正交信号，并在两个混频器中与输出的I/Q信号进行混频。95MHz的基带输入带宽使其完全满足设计所需的一个基带直接到射频的调制器。混频器将信号混频后送到内部50匹配的单端射频输出。调制器芯片内部原

3、理图如图 3.2所示。图 Error! No text of specified style in document.2 ADL5375芯片功能框图ADL5375的指标都满足本文设计的调制器的要求。其输出1dB压缩点为+9.6dBm，三阶截止点为+26.6dBm，表明其具有较高的输出能力。另外对于射频直接调制系统，调制器输出的二次谐波分量也是重点考虑的指标，基带信号的二次谐波分量较大可能会导致频谱扩散，影响邻信道功率比，此芯片具有较好的谐波抑制。ADL5375在300-1000MHz频率范围内OIP2、OIP3随频率和温度的变化曲线如图 3.3所示。 图 Error! No text of s

4、pecified style in document.3 ADL5375的OIP2、OIP3随频率和温度的变化曲线在450MHz附近，本振泄漏小于-48dBm，边带抑制优于-37.6dBc。射频通带平坦度在70MHz带宽内优于0.1dB，非常适合宽带系统。在设计QPSK调制电路时主要应注意以下几个方面的影响。（1）首先射频调制电路应考虑封腔设计，为了避免干扰以及减小对其他电路的干扰，同时有利于减小空间耦合，提高载波抑制度；（2）因为调制芯片是连接数字电路和射频电路的器件，应处理好基带信号输入的方式，建议增加差分滤波器，在抑制谐波和其他杂散分量的同时提高抗干扰能力；（3）根据射频调制器的线性范围

5、，设计调制器的基带信号功率（或幅度），得到最佳输出信噪比的调制信号。（4）由于本文选用的为集成芯片，其功耗相对较高，在设计时应考虑到散热问题，尽量利用腔体的导热特性将热量传递到外部，保持芯片在允许的温度下工作。本文选取的芯片为有源器件，需要设计外围供电电路。另外芯片的I/Q信号输入、载波信号输入和调制信号的输出均为差分设计，根据系统的需要可能需要差分与单端的转换电路，所以芯片的外围电路较为复杂。典型应用电路如图 3.4所示。图 Error! No text of specified style in document.4 ADL5375芯片典型外围电路如图所示，I/Q信号以差分形式分别从BBI

6、P，BBIN和BBQP，BBQN输入。I/Q信号输入之前采用的差分放大电路，之后的中频电路设计将会详细介绍。由于射频电路对于电源的波动较为敏感，所以应在供电电路的近芯片端增加电容来减小电源的文波。本芯片为正交调制芯片，其内部具有两个混频器，芯片需要在I/Q信号的输入端添加一定的偏压，以保证正常的载波和边带抑制。根据前文论述，由于内部混频管会受到偏置电压的影响，产生不平衡性，导致载波抑制和边带抑制的恶化。本文选用的ADL5375所需要的偏置电压为1.5V。根据芯片典型外围电路可知，芯片的载波输入端口为差分形式，但是本文的本振信号走线的都是50的微带线，所以使用其推荐的单端接入方式。对于I/Q信号

7、的输入，本文采用的方式为差分输入，符合芯片的接入方式，不用进行转换，但是需增加差分放大器，以实现幅度和偏压的控制。调制器模块的电路原理图如图 3.5所示。图 Error! No text of specified style in document.5 ADL5375调制芯片电路原理图调制器芯片PCB电路图如图 3.6所示。图 Error! No text of specified style in document.6 ADL5375PCB电路图1.1.2 差放电路设计根据实际经验，由于基带信号走线过长，传输过程中衰减量不同，导致输入到调制芯片的I/Q信号幅度不相等，或者不是完全正交，这将导

8、致输出调制信号的幅度和相位误差增大。另外由于I/Q传输线的阻抗不同，将会导致基带信号上所带的偏压到达调制芯片时的电压偏置不同，根据前一章节的介绍，这将导致调制信号的载波抑制度不够，边带抑制度不够。在实际通信系统中，I/Q信号表示为i(t)、q(t)。 （3.10） （3.11） （3.12）式中、为IQ信号的传输增益，、为IQ信号所带的偏压，为IQ信号的相位误差。 （3.13）其中，（3.14） （3.15）从公式可以看出I/Q信号的传输增益不同，将会导致输出调制信号的幅度不平衡度较差，直流偏置电压不平衡将导致输出信号的载波抑制度变差。经过分析，考虑在I/Q信号进入调制芯片之前增加差分放大电路

9、，此电路主要功能是对基带输出的I/Q信号进行放大，同时为调制芯片提供合适电压偏置。上一节讨论过，由于调制芯片为平衡式正交混频器，所以其输入端的直流偏压对于其性能有很大的影响，同时偏置电压还决定了载波泄露的大小。由于本系统基带信号走线很长，不能保证DA输出的偏置电压进入调制芯片时保持抑制，所以拟采用通过交流耦合的形式，仅通过差分放大器提供合适的共模电压。另外，差分电路对外部EMI和附近信号的串扰具有很好的抗扰性，因为在基带信号电压加倍后，噪声对紧密耦合走线的影响在理论上时相同的，因而他们彼此抵消。差分信号产生的EMI往往也较低，因为信号电平的变化（dV/dt或dI/dt）产生相反的磁场，再次相互

10、抵消。差分信号可以抑制偶次谐波。例如让连续波通过一级单端放大器，如图 3.7所示。输出信号可表示为式（3.1）和（3.2）。图 Error! No text of specified style in document.7 连续波通过单端放大器 （3.16） （3.17）若使用一个差分放大器，则输入输出如图 3.8所示。图 Error! No text of specified style in document.8 差分放大器 （3.18） （3.19） （3.20） （3.21）从公式可以看出，差分放大电路的输出没有偶次谐波，可以使调制器获得更好性能。本文使用差分放大电路主要有以下几点作用：1) 对I/Q信号进行放大，保证调制器输出功率；2) 为I/Q输入端提供合适的偏压；3) 获得良好的载波抑制度，减小幅度不平衡度，进而改善EVM；4) 提高抗干扰能力，同时减小基带信号对射频电路的影响。1.1.2.1 差分放大器的选取本文选用低功耗、轨对轨输出、全差分放大器THS4521，该放大器带宽为145MHz，Slew Rate为490V/us，输出共模电压可控，工作电压为3V至5.5V。根据调制芯片的要求，差分放大器共模电压为1.5V。差分放大器的电路原理图如图 3