Интегральные цифровые преобразователи частоты и модуляторы

Традиционные для радиоприемников и радиопередатчиков каскады преобразования частоты, выполняемые в виде аналоговых смесителей, могут быть заменены на аналогичные по функциям цифровые устройства в том случае, когда максимальная преобразуемая частота не превышает 100…200 МГц (на настоящее время). От своих аналоговых прототипов цифровые преобразователи частоты отличаются универсальностью, широкополосностью и возможностью перепрограммирования для оперативного изменения параметров и режимов работы. К недостаткам подобных устройств следует отнести общие для всех цифровых методов формирования и обработки ВЧ сигналов ограничения по максимальной рабочей частоте, спектральной чистоте формируемого колебания и значительную потребляемую от источника питания мощность.

Цифровые преобразователи частоты вверх, называемые в литературе Digital Up-Converters (DUC), обычно применяют в передатчиках для преобразования модулированного низкочастотного сигнала, формируемогоDSP, в область промежуточной или рабочей радиочастоты, который затем преобразуется в аналоговую форму с помощью специализированного ЦАП. Напротив, цифровые преобразователи частоты вниз, называемые Digital Down-Converters (DDC), являющиеся элементами цифровых радиоприемников, преобразуют ВЧ сигнал, полученный от АЦП, в область низких частот для обработки сигнальным процессором.

Рис.7.6.1.

Примером выполнения интегрального устройства DUC – цифрового квадратурного преобразователя частоты вверх, имеющего встроенный ВЧ ЦАП на кристалле, может послужить ИМС AD9856, структура которой приведена на рис. 7.6.1. Роль гетеродина здесь выполняет прямой цифровой синтезатор (DDS), формирующий квадратурные сигналы с очень высокой точностью (о таких синтезаторах частоты подробно рассказано в предыдущем параграфе). Точнее, впрочем, здесь говорить не о DDS, а об NCO (numerically controlled oscillator – «генератор с числовым управлением»), который отличается от DDS цифровым выходом, т.е. не имеет на выходе ЦАП. Источником тактового сигнала для него служит аналоговый умножитель частоты на основе ФАПЧ с программируемым коэффициентом умножения. Входной цифровой сигнал, после разделения на два квадратурных цифровых потока с вдвое меньшей скоростью каждый, через цифровые интерполяционные фильтры подается на два цифровых перемножителя сигналов и цифровой сумматор. Перенесенный таким образом на новую рабочую частоту (из интервала 5...70 МГц) сигнал проходит через корректирующее АЧХ ЦАП звено (см. рис. 7.2.9) и подается на 12-разрядный ЦАП с сегментированной архитектурой, подобный рассмотренным выше. На частотах до 40 МГц выходной сигнал этой микросхемы не содержит побочных продуктов преобразования (в том числе зеркального канала), превышающих -52 дБ. Управляющий сигнал, подаваемый через SPI-интерфейс, содержит 32-разрядное слово управления частотой, коэффициенты интерполяционного фильтра и умножителя опорной частоты. Микросхема рассчитана на работу с усилителем, имеющим программно управляемый коэффициент передачи. Преимуществом применения такой ИМС является то, что вся ВЧ часть выполнена в цифровом виде в одном чипе, а также и наличие встроенного DDS. Недостатком можно считать ограниченный частотный диапазон и относительно высокий уровень паразитных составляющих в спектре выходного аналогового сигнала (до -48 дБ на 70 МГц), что обусловлено цифровыми методами формирования гетеродинного сигнала и последующей его обработки.

Дополнив рассмотренный выше квадратурный DUC входными цифровыми блоками формирования определенных видов модуляции, получим ИМС, называемую цифровым программируемым модулятором; это реализовано, например, в ИМС AD9853; такой модулятор способен формировать с цифровой точностью сигналы с видами модуляции FSK, QPSK, 16-QAM и их разновидности; пример применения ИМС AD9856, AD9853 в базовой цифровой станции сотовой связи показан на рис. 8.2.7.

Практически такой же по принципу работы структурой обладает широкополосный цифровой программируемый модулятор HSP50415, рис.7.6.2. Он содержит также дополнительный блок коррекции частотных искажений ядра ЦАП вида sin(x)/x (рис.7.2.9), что способствует выравниванию АЧХ ЦАП в полосе рабочих частот.

Рис.7.6.2.

Быстродействие такого ЦАП позволяет работать ПЧ трактах современных телекоммуникационных систем на частотах до 50-75 МГц. При необходимости повысить рабочую частоту (например, до 900-1800 МГц) используют один из известных способов переноса рабочей частоты: гетеродинный перенос частоты в смесителе, умножение частоты в нелинейном каскаде, умножение частоты в петле ФАПЧ, а также применение интегрального аналогового квадратурного модулятора (смесителя). Данная ИМС HSP50415 имеет раздельные ВЧ выходы I и Q, что позволяет применить перенос частоты при помощи аналогового квадратурного модулятора, как это показано на рис. 8.2.3. Достоинства и недостатки различных способов повышения рабочей частоты цифровых передатчиков более подробно рассмотрены в параграфах 8.1 и 8.2.

Рис.7.6.3.

Отметим, что существуют интегральные микросхемы цифровых модуляторов, у которых формирователь квадратурного сигнала на основе двух согласованных ЦАП, гетеродин (синтезатор частоты), аналоговый квадратурный модулятор (смеситель) и предварительный усилитель ВЧ собраны на одном кристалле. Примером может послужить HSP50307, структура которой приведена на рис.7.6.3. Ее работа понятна из предыдущих объяснений. Она используется как QPSK модулятор на частотах несущей от 8 до 15 МГц. На этом рисунке символом † обозначены аналоговые части схемы данного цифроаналогового интегрального модулятора.

Рис.7.6.4

Цифровые преобразователи частоты вниз (DDC) имеют структурную схему, состоящую из цифрового перемножителя сигналов (смесителя), цифрового гетеродина (NCO), цифровых фильтров и вспомогательных блоков. На рис. 7.6.4 показан DDC цифрового приемопередатчика фирмы EnTegra (рис.8.2.9), выполненный в виде «прошивки» ПЛИС. Существуют также отдельные «готовые» ИМС, называемые сигнальными процессорами приемника (RSP), содержащие на кристалле одноканальную или многоканальную схему DDC. Это, например, упоминаемые в параграфе 8.2 ИМС AD6620, AD6624, AD6634. Теория работы таких ИМС подробно рассмотрена в главах 3 и 5.