2.4ghz頻段的射頻信號發(fā)生器設(shè)計

24GHZ頻段的射頻信號發(fā)生器設(shè)計前言在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，對大容量、高速數(shù)據(jù)的無線傳輸提出越來越高的要求，許多廠商也推出基于80211系列協(xié)議的射頻IC，并且無線路由器、藍(lán)牙等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對24GHZ頻段的使用需求日益增多，但是除部分高端信號發(fā)生器具有24GHZ頻段的信號產(chǎn)生，大多數(shù)普通信號發(fā)生器均未涉及24GHZ頻段，開發(fā)涉及一種基于24GHZ頻段的射頻信號發(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)計成本低、性能可靠的24GHZ頻段的射頻信號發(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、16/64QAM、GMSK、FSK，并將基帶I/Q兩路信號經(jīng)由串并轉(zhuǎn)換后送入AD9856將信號調(diào)制至70MHZ的中頻信號，然后通過上混頻器MAX2671混頻至2450MHZ的射頻信號，然后將混頻后的信號送入射頻濾波器，再由可控增益放大器將信號輸出。24GHZ頻段的射頻信號發(fā)生器框圖如圖1所示。電路設(shè)計信號調(diào)制電路信號調(diào)制電路首先是FPGA電路設(shè)計采用ALTERA公司的EP1C20芯片，用VHDL編程實現(xiàn)由人機(jī)界面輸出控制信息，然后將控制信息對應(yīng)所要產(chǎn)生的信號，將信號輸出到AD9856。AD9856是ADI公司的一款單片混合信號的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窄帶的無雜散信號動態(tài)范圍。AD9856具有200MHZ的內(nèi)部時鐘，集成帶鎖定指示器的420倍可編程時鐘倍頻器，提供高精度的系統(tǒng)時鐘，單端或者差分輸入?yún)⒖紩r鐘，而且可以輸出數(shù)據(jù)時鐘內(nèi)部32位正交DDS，可實現(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)出想得到的信號包絡(luò)。利用AD9856產(chǎn)生調(diào)制信號的電路框圖見圖2所示。圖1系統(tǒng)框圖圖2AD9856產(chǎn)生調(diào)制信號的電路從圖2可以看到，在FPGA內(nèi)進(jìn)行編碼調(diào)制，產(chǎn)生的I/Q兩路信號經(jīng)由串并轉(zhuǎn)換后送入AD9856中，在AD9856內(nèi)部有一個DDS內(nèi)核,通過FPGA控制產(chǎn)生正交本振信號送入正交調(diào)制器，每路通過2級分別與I/Q信號相乘之后相加，產(chǎn)生正交調(diào)制信號，而具體的調(diào)制模式可以通過FPGA的基帶信號編碼映射設(shè)計，最后通過12位DAC變?yōu)檎徽{(diào)制的模擬差分信號輸出，接著用耦合射頻變壓器將輸出的差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，經(jīng)由70MHZ的SAW濾波器濾波，最后選用中頻放大器進(jìn)行信號放大，就可送入混頻器進(jìn)行混頻了?；祛l器電路混頻電路對24GHZ頻段的實現(xiàn)極為重要，主要完成將70M中頻信號調(diào)制到24GHZ射頻，要求混頻電路的頻帶抑制型，這里選用MAXIM公司的專用24GHZ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24GHZ到25GHZ之間。采用單端信號，內(nèi)部集成了一個單通道的乘法器，在2450MHZ的射頻信號混頻輸出時，具有89DB的增益，因此，本振信號在10DBM到5DBM之間均可。在輸入輸出匹配時，只需要很少的外圍器件，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3MAX2671電路射頻本振信號電路設(shè)計在信號發(fā)生器設(shè)計中，要將70MHZ的中頻信號混頻至2450MHZ的ISM頻段的射頻信號，需要產(chǎn)生射頻本振信號，頻率為2380MHZ。本振信號電路采用PLLVCO的鎖相環(huán)路提供本振信號，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。本振信號的頻率穩(wěn)定度很重要，這部分設(shè)計以集成電路為核心，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射頻本振信號電路框圖為控制頻率合成器通過FPGA模擬3線串行接口信號時序來控制鎖相環(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。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主要由一個低噪聲數(shù)字鑒相器PFD、一個精密電荷泵、一個可編程參考分頻器、可編程A6BIT及B13BIT分頻計數(shù)器和一個雙模分頻器P/P1構(gòu)成。MAX2750是MAXIM公司用于24GHZ到25GHZ的ISM頻段的壓控振蕩器，工作在24GHZ25GHZ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)計可以采用專用的程控濾波器芯片實現(xiàn)，比如用MAX297可以實現(xiàn)對低通截至頻率的調(diào)整，其截至頻率為050KHZ，這樣設(shè)計更加靈活另一種方式就是采用標(biāo)準(zhǔn)的3階無源環(huán)路濾波器，即用LRC電路設(shè)計。圖5MAX2750電路圖設(shè)計測試確定各級測試頻率和輸入輸出DB值，完成系統(tǒng)調(diào)試。進(jìn)入MAX2671的中頻信號功率為30DBM20DBM，射頻本振信號功率為10DBM5DBM。通過測試，射頻本振信號電路的輸出頻譜如圖6所示。由圖可以看到，該信號源輸出功率達(dá)到了9DBM，完全能夠滿足上混頻器MAX2671射頻本振信號輸入在10DBM到5DBM之間的要求。由圖可以看到，該信號源輸出功率達(dá)到了245DBM，完全能夠滿足上混頻器MAX2671中頻信號輸入在30DBM到25DBM之間的要求。圖62380MHZ的射頻LO信號頻譜圖7為混頻器MAX2671輸出的信號頻譜，70MHZ的中頻信號與2380MHZ的射頻LO信號混頻后輸出了2310MHZ和2450MHZ的上下邊頻信號，通過射頻介質(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，在通過可調(diào)功率放大器設(shè)置輸出功率，然后將其送入N型頭輸出