CC BY
862
С.С. Никулин,
кандидат технических наук
ПОСТРОЕНИЕ КВАДРАТУРНЫХ ФАЗОВЫХ МОДУЛЯТОРОВ
С КОМПЕНСАЦИЕЙ ИСКАЖЕНИЙ НА СОВРЕМЕННОЙ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ
CONSTRUCTION QUADRATURE OF PHASE MODULATORS WITH INDEMNIFICATION OF DISTORTIONS ON MODERN THE DIGITAL TO ELEMENT BASE
Предложены различные схемы построения квадратурных фазовых модуляторов на основе современных микросхем прямого цифрового синтеза. Проведено схемотехническое моделирование предложенных схем и проанализированы полученные результаты.
Various schemes of construction guadrature phase modulators on the basis of modern microcircuits of direct digital synthesis are offered. It is spent circuitry modelling of the offered schemes and the received results are analysed.
Технология прямого цифрового синтеза стремительно развивается, но прямой синтез сигналов дециметрового и сантиметрового диапазонов пока практически не осуществим и экономически не оправдан. Современные лучшие микросхемы прямого цифрового синтеза (DDS) — такие как полнофункциональные 300-мегагерцовые ИС (интегральная схема) AD9852 с одинарным выходом и AD9854 с квадратурным выходом — предоставляют возможность получить сигнал с частотой в пределах нижней части УКВ диапазона — приблизительно до 120 МГц. Предельное значение частоты в основном ограничивается частотой подачи отсчетов DDS на выходной цифро-аналоговый преобразователь. Теоретически частота выходного сигнала не может превышать половины частоты отсчетов. В следующем поколении высокоскоростных DDS синтезаторов частоты этот предел будет отодвинут; частота отсчетов будет доходить до 900 МГц и частота выходного сигнала составлять 360 МГц. Для того чтобы воспользоваться преимуществами прямого цифрового синтеза DDS в дециметровом и сантиметровом диапазонах, синтезатор DDS обычно совмещается с генератором с ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) или преобразуется смесителем. К сожалению, умножение частоты с помощью ФАПЧ нарушает целостность сигнала, ухудшает разрешение по частоте и снижает скорость перестройки частоты. Кроме того, преобразование сигнала с двумя боковыми полосами (DSB) в однополосный (SSB) высокочастотный сигнал с помощью смесителя может сделать трудной или невозможной фильтрацию выходного сигнала, а также применение высококачественного гетеродина (LO) с фиксированной частотой. Методы, которые используются для преодоления этих затруднений, обычно заключаются в применении многостадийной ФАПЧ или каскадов смеситель/фильтр/гетеродин. Ниже предлагается усовершенствованный и экономически эффективный подход к одностадийному преобразованию частоты вверх в диапазон 800—2500 МГц с использованием вышеупомянутого полнофункционального квадратурного DDS-синтезатора AD9854 и новой микросхемы квадратурного модулятора AD8346, которая обладает погрешностью фазы не более 1° и балансом амплитуд в пределах 0,2 дБ на частоте 1900 МГц. Однополосный, с подавлен-
ной несущей, сигнал на выходе преобразователя имеет типичное значение коэффициента подавления несущей и сигнала второй (ненужной) боковой полосы более 36 дБ во всем рабочем диапазоне частот. Кроме того, все качественные характеристики сигнала, которые обеспечивает прямой цифровой синтез (DDS), сохраняются, тогда как нежелательные продукты преобразования минимальны. Подавления несущей и ненужной полосы в -36 дБ вполне достаточно для многих применений, и кроме того, это 4000-кратное ослабление мощности нежелательного сигнала значительно упрощает конструкцию выходного фильтра или повышает степень фильтрации в более требовательных к качеству сигнала конструкциях. Для того чтобы выбрать верхнюю или нижнюю боковую полосу, нужно просто поменять местами выходы квадратурных DDS сигналов: подать на вход модулятора AD8346 сигнал I вместо Q и Q вместо I. Микросхема прямого цифрового синтеза (DDS) AD9854 может работать в различных режимах модуляции (AM, FM, PSK и FSK). Это делает систему еще более удобной, так как обеспечивает возможность цифровой и аналоговой коммуникации в дополнение к такому достоинству, как генерация качественных сигналов. Преобразование вверх DDS-сигнала — лишь один пример применения ИС квадратичного модулятора AD8346. На практике данная микросхема может преобразовывать любой квадратичный аналоговый сигнал (от постоянного тока до 70 МГц) со столь же эффективным подавлением нежелательной боковой полосы.
Квадратурный модулятор AD8346 обеспечивает весьма высокие характеристики SSB-сигнала, позволяя переносить спектр модулирующего сигнала непосредственно на частоту несущей, которая может составлять от 800 до 2500 МГц, с типичным значением коэффициента подавления нежелательной полосы и несущей 36 дБ. Модулирующий сигнал может быть частотно-манипулированным или стационарным, а также смодулированным или широкополосным в пределах допустимой полосы спектра. На рис. 1 показана структурная схема устройства на ИС AD9854 и AD8346 для преобразования вверх квадратурного сигнала, синтезированного с помощью DDS, и получения сигнала SSB.
Рис. 1. Преобразование вверх квадратурного DDS сигнала в сигнал с одной боковой полосой (SSB)
При преобразовании квадратурного сигнала на два смесителя в ИС AD8346 подаются синусоидальный и косинусоидальный сигналы несущей частоты, которые образуются внутренним фазовращателем из внешнего сигнала несущей частоты. На эти же смесители подаются синусоидальная и косинусоидальная составляющие модулирующего сигнала (отфильтрованный сигнал с выхода синтезатора DDS), и они одинаковым образом преобразуются на фиксированную несущую частоту. Два выходных сигнала смесителей суммируются внутри ИС AD8346 таким образом, что составляющие с одинаковой фазой складываются, тогда как квадратурные компоненты вычитаются друг из друга и подавляются. Итоговый результат (без дополнительной фильтрации) представляет собой однополосный, с подавленной несущей, сигнал напряжения
величиной -10 дБм на нагрузке 50 Ом, с частотой, равной сумме или разности частот генератора несущей и модулирующего сигнала, плюс остаточный сигнал подавленных несущей и ненужной боковой полосы. Микросхема прямого цифрового синтеза Л09854 обеспечивает цифровую точность выходных квадратурных сигналов (типичная точность — две десятых градуса) в полосе частот от постоянного тока до более 120 МГц при тактовой частоте 300 МГц. В примере, показанном на рис. 1, тактовая частота может быть получена путем соответствующего деления частоты генератора несущей. Типичная погрешность фазы квадратурных сигналов ИС Л08346 составляет 1° при частоте выходного сигнала от 800 до 2500 МГц. Эта микросхема заключает в себе «чипсет», пригодный для использования во многих схемах цифровой и аналоговой связи, от широкополосных до телевизионных.
Было проведено схемотехническое моделирование квадратурного преобразователя сигнала БББ с использованием ИС Л09854 и ЛБ8346. Схема исследуемой установки со всеми дополнениями показана на рис. 2.
Рис. 2. Соединение ИС Л09854 и Л08346 для исследования схемы
Дополнения были следующие:
1. Добавлено два повышающих трансформатора импеданса 1:16 с отводами от центра вторичной обмотки (Т16-6Т) для преобразования однополярных квадратурных сигналов в дифференциальные и для повышения выходного напряжения в 4 раза. Использование центрального отвода вторичной обмотки дает возможность обеспечить постоянное смещение величиной 1,2 В для добавления к дифференциальному сигналу в соответствии с требованиями ко входным сигналам ИС Л08346.
2. Добавлено два согласующих резистора на выходе каждого трансформатора.
3. Добавлен источник постоянного смещения величиной 1,2 В, состоящий из двух кремниевых диодов, подключенных в прямом направлении к источнику напряжения 3,3 В через токоограничительный резистор сопротивлением 2000 Ом. Это смещение подано на центральные выводы вторичных обмоток трансформаторов каналов I и Q.
Схемотехническое моделирование данной схемы подтверждает ожидаемые параметры, приведенные в техническом описании на ИС Л08346, если квадратурные входные сигналы от ИС Л09854 соответствующим образом скорректированы для компенсации фазовой погрешности квадратурных сигналов и дисбаланса амплитуд сигналов I и Q (рис. 3 и 4). Погрешности фаз квадратурных сигналов I и Q вносятся после выхода сигналов из ИС Л09854 — за счет фильтров, неодинаковой длины кабелей и дорожек печатной платы, различий в параметрах трансформаторов и т.д. Разницу фаз квадратурных сигналов невозможно скорректировать за счет программирования ИС Л09854. Соотношение ее выходных сигналов строго квадратурное, и оно неизменно. Фазовые соотношения можно скорректировать путем изменения длин кабелей, соеди-
няющих оценочные платы Л09854 и Л08346. Неравенство амплитуд можно скорректировать с помощью независимых 12-разрядных цифровых умножителей ИС Л09854 в канале синуса и косинуса (I и Q). На рис. 3 показан 200-мегагерцевый сегмент спектра выходного сигнала ИС ЛБ8346 с центральной частотой 1,05 ГГц. Верхняя (ИББ) и нижняя (ЬББ) боковые полосы сигнала БББ отстоят на 25 МГц по разные стороны от несущей (ЬО), находящейся на частоте 1,04 ГГц. Между подавленной верхней боковой полосой (ИББ) и неподавленной нижней боковой полосой (ЬББ) разница амплитуды составляет 40 дБ. Разница в 40 дБ соответствует разнице в мощности сигналов в 10000 раз. Такая степень подавления верхней боковой полосы обеспечивается при погрешности фаз входных сигналов порядка 1°.
Рис. 3. Спектр выходного сигнала модулятора ЛБ8346
Рис. 4. Спектр нижней боковой полосы в увеличенном масштабе
Если более внимательно взглянуть (рис. 4) на спектр сигнала нижней боковой полосы (ЬББ) на частоте 1,015 ГГц, то видно, что сохраняется превосходное качество сигнала. Как говорилось выше, синусоидальный и косинусоидальный сигналы с выхода БББ, поданные на вход модулятора, можно поменять местами, если необходимо выбрать противоположную боковую полосу выходного сигнала. Сигнал несущей частоты, попадающий на выход модулятора за счет прямого прохождения, амплитудой -36 дБ, несколько превышает по величине сигнал подавленной боковой полосы в данной конструкции. Уровень проходящего на выход сигнала несущей частоты не зависит ни от амплитуды, ни от фазы входных БББ сигналов I и Q. Чтобы уменьшить относительную амплитуду несущей на выходе, амплитуда сигналов I и Q на входе должна быть максимальной (1 В от пика до пика) на каждом дифференциальном входном контакте.
Квадратурная модуляция — это хорошо известный и экономичный метод переноса сигнала БББ в область частот дециметрового и сантиметрового диапазонов без какого-либо нарушения свойств БББ сигнала или потери его качества. Квадратурный модулятор ЛБ8346 упрощает этот процесс. Эта ИС естественным образом дополняет микросхему синтезатора БББ ЛБ9854, имеющую дифференциальные квадратурные выходы. При наличии качественного генератора несущей нетрудно получить однополосный сигнал в диапазоне дециметровых или сантиметровых волн. При имеющемся наборе режимов модуляции ИС ЛБ9854 такое устройство полностью (почти) обеспечивает формирование ЛМ, БЫ, РБК, ББК сигналов дециметрового или сантиметрового диапазонов. При наличии минимальных дополнительных средств обработки ЛМ сигна-
лов с подавленной несущей на выходе БББ (сигналов I и Q) можно реализовать схему передачи амплитудно-модулированного голосового или любого другого БББ сигнала.
