基于2.4GHz頻段的射頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　前言

　　在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，對(duì)大容量、高速數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸提出越來(lái)越高的要求，許多廠商也推出基于802.11系列協(xié)議的射頻IC，并且無(wú)線路由器、藍(lán)牙等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)2.4GHz頻段的使用需求日益增多，但是除部分高端信號(hào)發(fā)生器具有2.4GHz頻段的信號(hào)產(chǎn)生，大多數(shù)普通信號(hào)發(fā)生器均未涉及2.4GHz頻段，開(kāi)發(fā)涉及一種基于2.4GHz頻段的射頻信號(hào)發(fā)生器以滿足科研及教學(xué)儀器使用的需要。本文正是基于這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)成本低、性能可靠的2.4GHz頻段的射頻信號(hào)發(fā)生器。

　　系統(tǒng)方案

　　系統(tǒng)方案以儀器面板上的人機(jī)控制設(shè)定所要操作的工作頻率和基帶調(diào)制方式，經(jīng)由FPGA進(jìn)行直接控制生成4種基本調(diào)制模式，即QPSK、16/64-QAM、GMSK、FSK，并將基帶I/Q兩路信號(hào)經(jīng)由串并轉(zhuǎn)換后送入AD9856將信號(hào)調(diào)制至70MHz的中頻信號(hào)，然后通過(guò)上混頻器MAX2671混頻至2450MHz的射頻信號(hào)，然后將混頻后的信號(hào)送入射頻濾波器，再由可控增益放大器將信號(hào)輸出。

　　2.4GHz頻段的射頻信號(hào)發(fā)生器框圖如圖1所示。

　　電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)調(diào)制電路

　　信號(hào)調(diào)制電路首先是FPGA電路設(shè)計(jì)采用ALTERA公司的EP1C20芯片，用VHDL編程實(shí)現(xiàn)由人機(jī)界面輸出控制信息，然后將控制信息對(duì)應(yīng)所要產(chǎn)生的信號(hào)，將信號(hào)輸出到AD9856。AD9856是ADI公司的一款單片混合信號(hào)的12位積分?jǐn)?shù)字上行轉(zhuǎn)換器，采樣速率為200MSPS，產(chǎn)生80MHz的數(shù)字輸出和80dB窄帶的無(wú)雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。AD9856具有200MHz的內(nèi)部時(shí)鐘，集成帶鎖定指示器的4～20倍可編程時(shí)鐘倍頻器，提供高精度的系統(tǒng)時(shí)鐘，單端或者差分輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，而且可以輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘;內(nèi)部32位正交DDS，可實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制功能;12位DDS和DAC和數(shù)據(jù)路徑結(jié)構(gòu)，可接受復(fù)合I/Q輸入數(shù)據(jù);32位頻率控制字，采用與SPI兼容的接口，用FPGA控制可靠方便，串行時(shí)鐘為10MHz;具有反轉(zhuǎn)SINC功能，在DAC變換之前恢復(fù)出想得到的信號(hào)包絡(luò)。利用AD9856產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的電路框圖見(jiàn)圖2所示。

圖1系統(tǒng)框圖

圖2 AD9856產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的電路

　　從圖2可以看到，在FPGA內(nèi)進(jìn)行編碼調(diào)制，產(chǎn)生的I/Q兩路信號(hào)經(jīng)由串并轉(zhuǎn)換后送入AD9856 中，在AD9856內(nèi)部有一個(gè)DDS內(nèi)核,通過(guò)FPGA控制產(chǎn)生正交本振信號(hào)送入正交調(diào)制器，每路通過(guò)2級(jí)分別與I/Q信號(hào)相乘之后相加，產(chǎn)生正交調(diào)制信號(hào)，而具體的調(diào)制模式可以通過(guò)FPGA的基帶信號(hào)編碼映射設(shè)計(jì)，最后通過(guò)12位DAC變?yōu)檎徽{(diào)制的模擬差分信號(hào)輸出，接著用耦合射頻變壓器將輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，經(jīng)由70MHz的SAW濾波器濾波，最后選用中頻放大器進(jìn)行信號(hào)放大，就可送入混頻器進(jìn)行混頻了。

　　混頻器電路

　　混頻電路對(duì)2.4GHz頻段的實(shí)現(xiàn)極為重要，主要完成將70M中頻信號(hào)調(diào)制到2.4GHz射頻，要求混頻電路的頻帶抑制型，這里選用MAXIM公司的專用2.4GHz頻段的MAX2671混頻芯片。MAX2671允許中頻輸入頻率在40MHz到500MHz之間，射頻輸出頻率在2.4GHz到2.5GHz之間。采用單端信號(hào)，內(nèi)部集成了一個(gè)單通道的乘法器，在2450MHz的射頻信號(hào)混頻輸出時(shí)，具有8.9dB的增益，因此，本振信號(hào)在-10dBm到+5dBm之間均可。在輸入輸出匹配時(shí)，只需要很少的外圍器件，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MAX2671電路

　　射頻本振信號(hào)電路設(shè)計(jì)

　　在信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)中，要將70MHz的中頻信號(hào)混頻至2450MHz的ISM頻段的射頻信號(hào)，需要產(chǎn)生射頻本振信號(hào)，頻率為2380MHz。本振信號(hào)電路采用PLL+VCO的鎖相環(huán)路提供本振信號(hào)，具有精度和穩(wěn)定度高、頻率可變等優(yōu)點(diǎn)，方便在以后頻率資源調(diào)整或擴(kuò)展。本振信號(hào)的頻率穩(wěn)定度很重要，這部分設(shè)計(jì)以集成電路為核心，采用ADI公司的頻率合成器ADF4113和MAXIM公司的壓控振蕩器MAX2750，其原理框圖如圖4所示。

圖4射頻本振信號(hào)電路框圖

　　為控制頻率合成器通過(guò)FPGA模擬3線串行接口信號(hào)時(shí)序來(lái)控制鎖相環(huán)頻率合成器ADF4113，根據(jù)ADF4113內(nèi)部完成參考晶振的頻率和壓控振蕩器(VCO)的頻率(經(jīng)除N分頻 器)相位差的比較，并轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的線性電壓輸出，經(jīng)低通濾波器(LPF)慮除高頻干擾后，獲得一較為穩(wěn)定的電壓，控制VCO的振蕩頻率輸出，從而獲得所需要的2380MHz本振信號(hào)。

　　ADF4113是ADI公司的一款高性能頻率合成器，最高工作頻率達(dá)到4GHz。ADF4113主要由一個(gè)低噪聲數(shù)字鑒相器(PFD)、一個(gè)精密電荷泵、一個(gè)可編程參考分頻器、可編程A(6bit)及B(13bit)分頻計(jì)數(shù)器和一個(gè)雙模分頻器(P/P+1)構(gòu)成。MAX2750是MAXIM公司用于2.4GHz到2.5GHz的ISM頻段的壓控振蕩器，工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　LPF的作用就是慮除電壓的高頻干擾，從而獲得較為穩(wěn)定的電壓。LPF的設(shè)計(jì)可以采用專用的程控濾波器芯片實(shí)現(xiàn)，比如用MAX297可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低通截至頻率的調(diào)整，其截至頻率為0～50KHz，這樣設(shè)計(jì)更加靈活;另一種方式就是采用標(biāo)準(zhǔn)的3階無(wú)源環(huán)路濾波器，即用LRC電路設(shè)計(jì)。

圖5 MAX2750電路圖

　　設(shè)計(jì)測(cè)試

　　確定各級(jí)測(cè)試頻率和輸入輸出dB值，完成系統(tǒng)調(diào)試。進(jìn)入MAX2671的中頻信號(hào)功率為-30dBm～-20dBm，射頻本振信號(hào)功率為-10dBm～+5dBm。通過(guò)測(cè)試，射頻本振信號(hào)電路的輸出頻譜如圖6所示。由圖可以看到，該信號(hào)源輸出功率達(dá)到了-9dBm，完全能夠滿足上混頻器MAX2671射頻本振信號(hào)輸入在-10dBm到+5dBm之間的要求。由圖可以看到，該信號(hào)源輸出功率達(dá)到了-24.5dBm，完全能夠滿足上混頻器MAX2671中頻信號(hào)輸入在-30dBm到-25dBm之間的要求。

圖6 2380MHz的射頻LC信號(hào)頻譜

　　圖7為混頻器MAX2671輸出的信號(hào)頻譜，70MHz的中頻信號(hào)與2380MHz的射頻LO信號(hào)混頻后輸出了2310MHz和2450MHz的上下邊頻信號(hào)，通過(guò)射頻介質(zhì)濾波器濾除2310MHz的下邊頻分量，就可獲得所要的2450MHz有用信號(hào)，在通過(guò)可調(diào)功率放大器設(shè)置輸出功率，然后將其送入N型頭輸出。

圖7 MAX2671的輸出信號(hào)頻譜

　　結(jié)語(yǔ)

　　基于2.4GHz射頻信號(hào)發(fā)生器是為滿足應(yīng)用日益廣泛的無(wú)線通信、無(wú)線局域網(wǎng)等的廣泛應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其成本低、外圍電路簡(jiǎn)單，工作頻帶穩(wěn)定，參數(shù)可調(diào)，人機(jī)界面友好，與操作普通信號(hào)發(fā)生器一樣方便，可以滿足測(cè)試儀器、教學(xué)和科研等應(yīng)用要求。