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来源:电子技术应用发布时间:2019-09-16454浏览
询问 AI摘要：介绍了数字正交上变频器ＡＤ９８５６的工作原理及使用方法，并给出了其在数字音频广播（ＤＡＢ）发射系统中的具体应用。
关键词：数字正交调制 上变频 ＤＡＢ
正交调制是一种常用的调制技术。在以往的通信系统中，一般都由模拟电路实现，由于很难保证两路载波的正交性，调制的效果往往不太理想，因而逐渐被数字调制所取代。ＡＤ９８５６是ＡＤ公司生产的一种通用、高性能的数字正交上变频器件，具有集成度高、性能好、体积小、功耗低等特点，使用该器件很容易实现信号的数字正交调制。
１ ＡＤ９８５６的结构和工作原理
ＡＤ９８５６内部电路结构如图１所示。主要分为数据复合、过采样滤波、正交调制、数模转换和控制电路等单元。
１．１ 数据复合
ＡＤ９８５６内部的数据格式是１２ｂｉｔ的二进制补码。但数据输入接口能支持３种字长：１２ｂｉｔ（Ｄ１１～Ｄ０），６ｂｉｔ（Ｄ１１～Ｄ６），３ｂｉｔ（Ｄ１１～Ｄ９）。因此需要一个数据复合器将输入的数据进行复合，形成１２ｂｉｔ的统一格式。另外，基带信号的Ｉ、Ｑ分量是交替输入的，所以数据复合器还需对输入数据进行识别，将其转换成Ｉ、Ｑ两路并行数据流，送往下一级电路。
１．２ 过采样滤波
由数据复合器输出的并行Ｉ／Ｑ数据流需经过滤波器进行过采样。ＡＤ９８５６的过采样滤波器分为两级：半带滤波器ＨＢＦ和级联积分梳状ＣＩＣ滤波器，它们都具有低通的频响特性。而ＨＢＦ又分为三级：ＨＢＦ１、ＨＢＦ２、ＨＢＦ３，其中ＨＢＦ３是可选的。
每一级ＨＢＦ可使数据的采样率提高一倍。为了使信号频带处于滤波器通带的平坦部分，就要提高ＨＢＦ的截止频率。也就是说数据在输入ＡＤ９８５６之前要进行过采样。一般情况下，两倍的过采样率已经足够。
ＡＤ９８５６中的ＣＩＣ实际上是一个可编程的过采样滤波器，过采样率的范围是：２≤Ｒ≤６３。随着Ｒ的改变，ＣＩＣ会引入不同的插入损耗。为了补偿这一损耗，用户可以设置ＣＩＣ增益位，使得ＣＩＣ的输出增大一倍。但在这种工作模式下，必须确保输出信号不会溢出。
１．３ 正交调制
ＡＤ９８５６的正交调制就是将基带信号的频谱频移到所需要的载波频率上（即通常所说的上变频）。正交调制所需要的余弦、正弦两路数字载波由一个高速的直接数字综合器（ＤＤＳ）产生，其频率可通过设置相应的寄存器来控制。这两路数字载波分别与ＣＩＣ输出的Ｉ、Ｑ两路数据相乘，然后再相加或相减，即得到调制后的数字中频信号。
ＣＩＣ输出的Ｉ／Ｑ数据的采样率与ＤＤＳ数字载波的采样率是相同的，也就是ＡＤ９８５６的系统时钟频率（ＳＹＳＣＬＫ）。所以调制后的信号实际上是一组采样率为ＳＹＳＣＬＫ的数据流。
１．４ 数模转换
调制后的数字信号要经过一个１２位的ＤＡＣ，转换成模拟信号。ＤＡＣ通过零阶保持实现数模转换。由于零阶保持效应，其输出信号的频谱实际上是被ＳＩＮＣ包络加权过的。因此需要在ＤＡＣ前面加上一个反ＳＩＮＣ型滤波器（ＩＳＦ），对输入数据流进行预处理，以校正ＳＩＮＣ包络造成的失真。
数模转换过程会在ｎ×ＳＹＳＣＬＫ±ＦＣＡＲＲＩＥＲ（ｎ＝１,２,３）处产生干扰信号，这些干扰信号可以通过一个外接ＲＬＣ滤波器滤除。一般情况下，使用一个７阶椭圆低通滤波器即可。ＡＤ９８５６提供两路互补的两个电流输出，输出电流的满额值ＩＯＵＴ范围是５～２０ｍＡ，可通过电阻ＲＳＥＴ来设置，关系为：
ＲＳＥＴ＝３９．９３６／ＩＯＵＴ
１．５ 控制单元
ＡＤ９８５６提供了一个灵活的同步串行通信端口，该串口与绝大多数同步传输格式（例如Ｍｏｔｏｒｏｌａ ６９０５／１１ ＳＰＩ 和Ｉｎｔｅｌ ８０５１ ＳＳＲ协议）相兼容。所以很容易实现与微控制器或微处理器的接口。这个接口可以读写ＡＤ９８５６的所有寄存器。
控制单元根据各个寄存器的内容，设置ＡＤ９８５６的工作模式。ＡＤ９８５６还提供了一个与ＡＤ８３２０（可编程电缆驱动放大器）进行通信的串口。控制单元可以通过这个串口直接设置ＡＤ８３２０的增益。
２ ＡＤ９８５６的使用方法
２．１ 时钟设置
ＡＤ９８５６内部时钟都是由基准时钟ＲＥＦＣＬＫ倍频或分频产生的，输入数据的采样时钟也必须与基准时钟同步，所以整个系统的各个时钟频率之间都有严格的整倍数关系，以保证系统正常工作。定义ｆＷ为Ｋ－ｂｉｔ字（Ｋ＝３,６,１２）的输入频率。则ｆＷ与ＲＥＦＣＬＫ、ＳＹＳＣＬＫ之间的关系为：
ＳＹＳＣＬＫ＝ＲＥＦＣＬＫ×Ｍ＝(２ＨＮｆＷ）／Ｉ （１）
其中Ｈ、Ｎ、Ｉ、Ｍ为整数并定义如下：
Ｈ＝１为ＨＢＦ３旁路
Ｈ＝２为ＨＢＦ３选通
Ｍ＝１为ＲＥＦＣＬＫ倍频旁路
４≤Ｍ≤２０为ＲＥＦＣＬＫ倍频选通
Ｉ＝１为１２ｂｉｔ字输入
Ｉ＝２为６ｂｉｔ字输入
Ｉ＝４为３ｂｉｔ字输入
Ｎ＝ＣＩＣ内插率（２≤Ｎ≤６３）
ＤＤＳ产生的载波频率不能超过ＳＹＳＣＬＫ的４０％。ＳＹＳＣＬＫ最高可达２００ＭＨｚ，因此载波频率不能超过８０ＭＨｚ。用户应根据输入数据的采样率，选择一精确的ＲＥＦＣＬＫ。并根据要求的载波频率选定时钟倍频系数Ｍ，使ＳＹＳＣＬＫ足够高。而其他系数的确定则需满足（１）式。
２．２ 输入数据格式
ＡＤ９８５６提供了两种输入数据的时序模式：突发模式和连续模式。在突发模式下，ＡＤ９８５６通过ＴＸＥＮＡＢＬＥ的上升沿来保持与输入数据的同步。突发模式支持全部三种字长（１２ｂｉｔ，６ｂｉｔ，３ｂｉｔ）。对于连续模式，ＴＸＥＮＡＢＬＥ可以看成数据输入时钟。该信号除了用来同步外，还可以指示输入数据是Ｉ路还是Ｑ路（１表示Ｉ路，０表示Ｑ路）。连续模式只支持１２ｂｉｔ字长。图２、３描述了两种输入格式的时序关系，其中ＩＮＴＥＲＮＡＬ Ｉ和ＩＮＴＥＲＮＡＬ Ｑ为数据复合器所产生的并行的Ｉ和Ｑ数据流。
在选择输入模式时，有以下几点需要注意：
①在３ｂｉｔ字输入的突发模式下，ＨＢＦ３一定要选通。
② 在突发模式下，当ＴＸＥＮＡＢＬＥ为低的时间超过１个采样周期时，数据复合器的Ｉ和Ｑ两路都输出０。
③ 在连续模式下，当ＴＸＥＮＡＢＬＥ为低或高的时间超过１个采样周期时，会分别造成Ｉ路或Ｑ路数据的丢失。
２．３ 控制串口操作
ＡＤ９８５６的一个串口通信周期可分为两部分：指令周期和数据传输周期。在指令周期，外部控制器向ＡＤ９８５６写入一个指令字节。指令字节给出了将要进行的数据操作所需的信息，如表１所示。在数据传输周期，控制器根据指令字节所给的信息对ＡＤ９８５６进行相应的数据操作。
表1 指令字节
Ｒ／Ｗ：定义数据操作类型，１为读，０为写。
Ｎ１Ｎ０：要传输的数据的字节数（００ｂ＝１字节，
０１ｂ＝２字节，１０ｂ＝３字节，１１ｂ＝４字节）。
Ａ４～Ａ０：被访问寄存器的地址，多字节传输时，该地址为起始地址，其余地址由ＡＤ９８５６的控制器产生。
ＡＤ９８５６的串口管脚包括ＳＣＬＫ、ＣＳ、ＳＤＩＯ、ＳＤＯ和ＳＹＮＣ Ｉ／Ｏ。ＡＤ９８５６在ＳＣＬＫ的上升沿锁存ＳＤＩＯ上的输入数据，在ＳＣＬＫ的下降沿给出输出数据。输出数据既可出现在ＳＤＩＯ上，也可出现在ＳＤＯ上。在每一个通信周期内，最初的８个ＳＣＬＫ上升沿用来写指令字节，剩下的ＳＣＬＫ沿用于数据传输。图４给出了ＳＤＩＯ设置成双向时的串口读写时序。
在进行串口操作时需要注意以下几点：
（１） 串口支持ＭＳＢ在前和ＬＳＢ在前两种格式，通过寄存器０的第６位设置。对该位的设置是立即有效的。即如果当前操作对该位进行修改，则下一个字节的传输就会采用新格式。
（２） 对多字节传输的通信周期，如果ＭＳＢ在前，寄存器地址递减；如果ＬＳＢ在前，寄存器地址递增。
（３） 外部控制器必须保持与ＡＤ９８５６同步，如果失去同步，可由ＳＹＮＣ Ｉ／Ｏ来重新产生同步，而不必对整个芯片复位。
２．４ 寄存器功能
ＡＤ９８５６内部的寄存器如表２所示。
表2 AD9856寄存器分配
下面说明具体的功能：
（１）ＳＤＯ有效：１表示串行数据由ＳＤＩＯ输出；０表示串行数据由ＳＤＯ输出。
（２）ＬＳＢ在前：１表示串行数据是ＬＳＢ在前；０表示串行数据是ＭＳＢ在前。
（３）基准时钟倍频系数：有效值范围为４～２０。
（４）保留位：该位总为１。
（５）ＣＩＣ增益：１表示级联积分梳状滤波器输出加倍。
（６）连续模式：１表示连续模式；０表示突发模式。
（７）休眠模式：１表示ＡＤ９８５６处于休眠模式，此时电流小于２ｍＡ。
（８）单频模式：置成１，则输出单频信号，频率由频率设置字确定。此时数据输入脚接固定高电平或低电平。
（９）旁路反ＳＩＮＣ滤波器：１表示反ＳＩＮＣ滤波器被旁路。
（１０）旁路参考时钟倍频器：１表示参考时钟倍频器被旁路。
（１１）输入格式选择（１：０）：１０ｂ＝１２ｂｉｔ模式；０１ｂ＝６ｂｉｔ模式；００ｂ＝３ｂｉｔ模式。
（１２）频率设置字（３１：０）ＦＴＷ：其与载波频率ｆＯＵＴ及ＳＹＳＣＬＫ之间的关系为：
ｆＯＵＴ＝ＦＴＷ×ＳＹＳＣＬＫ）／２ ３２
（１３）内插率（５：０）：确定级联积分梳状滤波器的内插率，允许范围为２～６３。
（１４）频带选择：为１时输出Ｉ×ｃｏｓωｔ＋Ｑ×ｓｉｎωｔ，为０时输出Ｉ×ｃｏｓωｔ－Ｑ×ｓｉｎωｔ。
（１５）旁路ＨＢＦ＃３：１表示ＨＢＦ＃３被旁路。
（１６）ＡＤ８３２０增益控制（７：０）Ｃｏｄｅ：其与ＡＤ８３２０放大倍数ＡＶ的关系为ＡＶ＝０．３１６＋０．０７７×Ｃｏｄｅ。
（１７）组２，３，４：其功能与组１中各寄存器相同。通过管脚ＰＳ１、ＰＳ０来选择那一组寄存器有效。
２．５ ＡＤ９８５６对ＡＤ８３２０的增益控制
ＡＤ９８５６提供了一个与ＡＤ８３２０串口相连的接口。通过这个接口，ＡＤ９８５６可以直接控制放大器的增益。这一功能使得外部控制系统大大简化。ＡＤ９８５６只有在检测到以下三种情况时，才与ＡＤ８３２０进行通信。
（１）上电复位：在上电复位时，ＡＤ９８５６清除所有组的增益控制寄存器，并且往ＡＤ８３２０串口写全零，此时定义了放大器的最小增益。
（２）ＰＳ１和ＰＳ０改变：ＡＤ９８５６对ＰＳ１和ＰＳ０进行取样，当发现它们改变时，则将当前组内的增益控制寄存器内容写入到ＡＤ８３２０中。
（３）增益控制寄存器内容改变：当ＡＤ９８５６任一组中的增益控制寄存器被更新时，它都将当前组的增益控制寄存器的数据写入ＡＤ８３２０。
３ ＡＤ９８５６在ＤＡＢ发射系统中的应用
ＤＡＢ是继调幅、调频广播之后的第三代广播方式，具有音质好、抗干扰能力强等优点。我国于１９９６年将其列为重大科技产业项目，并决定采用欧洲的Ｅｕｒｅｋａ１４７标准。该标准采用编码正交频分复用（ＣＯＦＤＭ）传输方式。节目源的音频数据经复接器复接成ＥＴＩＥｎｓｅｍｂｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ帧，然后送入ＣＯＦＤＭ符号发生器，产生采样率为２．０４８ＭＨｚ的Ｉ、Ｑ两路数字基带信号，每一路的信号带宽为０．７６８ＭＨｚ。基带信号一般先要正交调制到中频，然后再上变频到所需要的射频，经发射机发射出去。
图５给出了用ＡＤ９８５６实现的ＤＡＢ中频正交调制器的框图。其中的ＡＴ８９Ｃ２０５１为系统控制器，ＡＤ８３２０为放大器。
ＤＡＢ标准中规定，Ｉ／Ｑ数据的采样值为８ｂｉｔ二进制补码。因此在设计方案中，输入模式采用１２ｂｉｔ字的突发模式。ＡＤ９８５６的高８位数据线（Ｄ１１～Ｄ４）接输入数据，而低４位数据线（Ｄ３～Ｄ０）接地。因为输入信号的每路带宽仅为０．７６８ＭＨｚ，基本上全部落在ＡＤ９８５６内部过采样滤波器通带的平坦区域内，所以输入数据在送往ＡＤ９８５６之前不需要过采样。
输入数据采样率为２．０４８ＭＨｚ，为保障ＡＤ９８５６内部时钟关系，ＲＥＦＣＬＫ取采样时钟的４倍频，即８．１９２ＭＨｚ。ＳＹＳＣＬＫ为ＲＥＦＣＬＫ的２０倍频，即１６３．８４ＭＨｚ。中频载波设为３６ＭＨｚ，在ＳＹＳＣＬＫ的４０％范围内。选通ＨＢＦ３，ＣＩＣ内插率设成１０，以满足（１）式。
单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１的Ｐ１．０、Ｐ１．１接ＡＤ９８５６的ＰＳ０和ＰＳ１，选择ＡＤ９８５６的当前有效寄存器组。Ｐ１．２～Ｐ１．６接ＡＤ９８５６控制串口的各个管脚，按照图４给出的时序，即可对ＡＤ９８５６ 内部寄存器进行读写操作。输出负载为简单的接地电阻。滤波器为５阶椭圆低通滤波器，截止频率为３８ＭＨｚ。
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