一种工程化适用的高精度数控矢量调制器设计

文/王乾

1 引言

为了适应现代通信系统的应用需求，世界各国通信设备都是朝着标准化、综合化、系列化和通用化的方向发展。其中的综合化发展就是要减少通信平台数量、提高通信平台效率，要求在同一个通信平台上部署多种通信设备。然而，在同平台同时工作的发射机与接收机，两者的发射电平和接收电平相差很大，而且同平台的空间限制会使收发天线的隔离度十分有限，造成尽管收发的频率不同但是发射机的发射信号仍然会在接收机输入端产生很强的干扰电压。这个干扰电压会使无线电台的通信质量会受到很大影响，而且当这个干扰电压超过接收机的动态范围，极有可能造成接收机阻塞而无法工作。因此，有必要在接收机的输入端抵消来自同平台通信设备的强干扰信号。

矢量调制器作为干扰抵消器等电磁兼容、抗干扰系统的核心部件，对干扰抵消性能有着非常关键的影响。矢量调制器用于对耦合的干扰信号的幅度和相位进行调整，产生与干扰信号等幅反相的对消信号。设干扰信号和耦合的干扰信号在同一极坐标系下，要达到对耦合干扰信号的有效调整，矢量调制器需要具有信号任意大小的放大和缩小的能力以及极坐标系下360°的任意相位的调整能力。信号的放大和衰减在工程上相对容易实现，信号的移相尽管在理论上可以采用移相器来实现，但是要实现可以满足工程应用的精确移相控制很难。

本文针对这一需求提出了一种适合工程化实现的高精度数控矢量调制器设计方案。

2 正交矢量调制原理及模型分析

为了满足工程化需要，对信号调整采用工程中常用的正交信号调整方式，即把对一个信号360°相位调整转化为对其投影的两路正交信号的幅度调整和反相调整。

如图1所示，要把采样信号矢量B调整到与干扰信号矢量A等幅反相，采用正交坐标轴上的两个矢量AI和AQ来合成所需要的矢量B。

对于矢量AI和AQ，我们只需要调整幅度和进行180°的反相，就能使其合成矢量B在坐标轴上实现0°～360°的相位旋转，并且其幅度也可通过调节坐标轴上的两个矢量进行调节。这样就将对一个矢量信号进行相位和幅度调整的问题转换成工程上更容易实现的对两个正交信号的幅度调整和180°反相的问题。

典型的正交矢量调制器模型如图2所示。

一个典型的正交矢量调制器由一个正交耦合器、一个功率合成器以及两个可调衰减器及其相应的控制系统组成。正交耦合器主要将一路信号分为I、Q两路信号，功率合成器负责将两路信号合成一路信号。

在实际通过电压控制电调衰减器对信号进行衰减时，一般要求控制量随电压是连续变化的，如果衰减量随控制电压的变化不是线性，那么设计的衰减器电压控制方案会特别复杂。所以在选择电调衰减器时，尽可能选择线性度好的器件以简化后续控制系统设计。本文使用ADI公司的HMC973A型电调衰减器进行后续的高精度要求设计，其具有出色的线性度。

3 控制系统的方案设计

3.1 控制系统的数字化

本文提出了一种将传统可调衰减器控制系统数字化的方案。方案主要包括两方面内容：

（1）将可调衰减器的控制接口与控制信息设计数字化。在应用时，使用者只需根据需要调制的情况，按照规定的通信协议，向可调衰减器输入待产生的衰减量，可调衰减器内部就能计算出I路通道和Q路通道上分别需要设置的衰减量，达到信号衰减的目的，从而很方便地实现对可调衰减器的控制，降低使用者对可调衰减器的应用成本。

（2）在矢量调制器内部，将产生压控电调衰减器控制电压的电压产生电路数字化。采用DAC与运放电路结合的方式产生压控电调衰减器的控制电压，这样只需要提高DAC的位数，就可以提高所产生控制电压的分辨率。集成高精度的数模转换电路与可调运放电路，进而将输入的数字控制信号转换成压控电调衰减器的控制电压，以达到提高正交矢量调制器的调制精度的目的。

图1：正交信号合成示意图

3.2 衰减量与控制电压的关系

3.2.1 衰减量与控制电压的数学关系

要想实现正交矢量调制器通过对耦合信号衰减调节构造出一个与干扰信号等幅反相的对消信号，首先要推导出待调制信号所需衰减量和相移量与I路通道上和Q路通道上各自压控电调衰减器所需变化量的关系。

设使用者需要对待调制信号的需要进行的幅度调制为xdB，相位调制为θ°，那么调制后的信号归一化输出电压的大小，可以用公式（2）表示：

由于I路通道上的信号和Q路通道上的信号，是由90°的功分器分配而成的，再经过压控电调衰减器对幅度和相位的调制，最后通过功率合成器合成调制信号。因此I路通道上调制后信号归一化输出电压大小与Q路通道上调制后的信号归一化输出电压大小以及整体调制后的信号归一化输出电压的大小成矢量合成分解的关系，即满足进而可以得到VI、VQ的与V的关系如公式（3）和公式（4）所示：

根据以上的数学关系，进行解析计算，就可以得到I路通道上的压控电调衰减器需要的衰减值为而Q路通道上的压控电调衰减器需要的衰减值为

从这个解析计算过程中可以看出，如果调整压控电调衰减器的衰减量，使得合成矢量的幅度大小保持固定，则高精度数字矢量调制器就成为一个固定幅度的高精度数字移相器。

3.2.2 建立衰减量与控制电压的对应关系

根据前文的分析，在建立高精度数字压控电调调制器的控制信息与I路通道上和Q路通道上各自的压控电调衰减器的控制电压的关系时，最主要的设计依据就是本文的研究目标，即保证待调制信号的幅度可调精度 。

那么在高精度数字矢量调制器研制时，根据前文对高精度数字矢量调制器的衰减量和相移量与I路通道上和Q路通道上各自压控电调衰减器衰减量的分析。I路通道上和Q路通道上各自压控电调衰减器的可调精度也应该满足的衰减步进来进行设计，至少都应该按照 的衰减步进来设计。所以，在对与I路通道上和Q路通道上各自压控电调衰减器衰减状态进行方案设计时，就按照的衰减步进来进行设计，那么为了保证衰减量要达到，同时还至少包括10/0.01=1000种状态。为了方便对衰减状态进行编码，最终将衰减状态设计成1024种衰减状态，即在双极性下，设计能实现的衰减范围，衰减精度为

以本文选用的HMC973A压控电调衰减器为例，其控制电压与衰减量线性度最好的部分是在控制电压在1V～16V范围内，衰减量为的范围内。在设计电调衰减器时，我们主要利用这段线性区域。

如表1所示。

3.3 控制系统的关键电路

压控电调衰减器的控制电压产生电路的设计主要分为两个部分，分别是DAC电路设计和运算放大电路设计。控制电压值的产生是由DAC电路与运算放大电路共同完成的，两者的作用分别归纳如下：DAC电路实现将控制状态转换成电压值，每一种控制状态和每一个归一化电压是互相唯一对应的，也就是将数字信号转换为模拟信号的电压/电流；运算放大电路主要是将DAC电路产生的电流/电压值，转换到需要的控制电压。

3.4 DAC的选型分析

理论上讲，DAC器件选择使用电压型输出和电流型输出，对产生所需要的电压没有区别，都可以实现产生所需要的控制电压。但在工程应用中，两者在使用上，还是存在明显的差异。

采用电压型输出DAC器件，在远距离传输或者是电磁干扰比较严重的场合，存在电压损耗大，抗干扰能力差的问题，容易导致所产生的可调衰减器控制电压不准确，进而降低高精度数字矢量调制器的调制精度。正交矢量调制器作为干扰抵消器的核心器件，使用环境的电磁环境相当恶劣，即使在结构设计中加入分腔屏蔽结构来大幅降低干扰信号的影响，也不能完全消除这种干扰。一旦存在这种干扰，或多或少会使控制电压上叠加交流分量，导致控制电压的波动不稳定。通过前面对所需控制电压产生精度的分析，知道控制电压的最小精度要达到15mV，所以对干扰屏蔽的要求就非常高。而电流型器件则不然，其抗干扰能力非常好，可以认为不会影响压控电调衰减器控制电压的精度。因此矢量调制器选取电流型DAC来设计控制电路更合适。

表1：衰减量与控制电压对照表

DAC的采样率同需要从系统需求和成本两方面考虑。采样率不宜太小，否则它的带内处理增益较小，对它的SNR要求相应的就会提高，采样率过高，成本也会增大。本文选择ADI公司的AD9776型DAC可以满足上述要求。AD9776具有的12位控制字可以完成1024种状态的控制与选择，另外采样率1GSPS也完全能够满足应用需求。

3.5 运算放大电路

使用电流型DAC在复杂电磁环境中有很好的抗干扰的性能，但是也有其不利因素，由于器件是电流型输出，而衰减器是压控衰减器，需要将电流型信号转换为电压型信号。

电流转电压的设计主要有两种方式：在电流信号上接一个电阻直接将电流信号转换成电压信号；接一个运算放大器来将电流信号转换为电压信号。如果采用第一种转换方式，后续的运算放大电路，会对输出的电流信号形成分流，从而降低产生的电压，进而造成可调衰减器控制电压精度降低。所以采用运算放大器来将电流信号转换成电压信号具有更大的优势。其电路原理图如图3。

使用运算放大器设计完成电流转换为电压的同时，也可以将该电压直接转换到所需要的控制电压。

由放大器的虚短虚断性质，可有：

由于AD9776的输出电流的范围为8.7mA～31.7mA，将电流代入公式（5），可以计算得到

4 结束语

图2：典型的正交矢量调制器模型

图3：电流转电压电路原理图

本文通过阐述正交矢量调制原理，构建正交矢量调制器模型，选取适合工程化实现的主流可靠器件，建立了基于压控电调衰减器的前端模型，接着进行了控制系统的方案设计，结合系统的高精度设计依据，通过分析衰减量与数字电压的关系，设计了控制系统关键电路，完成了适合工程化实现的高精度数控矢量调制器的设计方案。通过分析验证，设计的高精度数控矢量调制器取得了满意的结果。