前言

　　在現代無線通信系統中，對大容量、高速數據的無線傳輸提出越來越高的要求，許多廠商也推出基于802.11系列協議的射頻IC，并且無線路由器、藍牙等技術的廣泛應用，對2.4GHz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2.4GHz頻段的信號產生，大多數普通信號發(fā)生器均未涉及2.4GHz頻段，開發(fā)涉及一種基于2.4GHz頻段的射頻信號發(fā)生器以滿足科研及教學儀器使用的需要。本文正是基于這一點，設計成本低、性能可靠的2.4GHz頻段的射頻信號發(fā)生器。

　　系統方案

　　系統方案以儀器面板上的人機控制設定所要操作的工作頻率和基帶調制方式，經由FPGA進行直接控制生成4種基本調制模式，即QPSK、16/64-QAM、GMSK、FSK，并將基帶I/Q兩路信號經由串并轉換后送入AD9856將信號調制至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。

　　2.4GHz頻段的射頻信號發(fā)生器框圖如圖1所示。

　　電路設計

　　信號調制電路

　　信號調制電路首先是FPGA電路設計采用ALTERA公司的EP1C20芯片，用VHDL編程實現由人機界面輸出控制信息，然后將控制信息對應所要產生的信號，將信號輸出到AD9856。AD9856是ADI公司的一款單片混合信號的12位積分數字上行轉換器，采樣速率為200MSPS，產生80MHz的數字輸出和80dB窄帶的無雜散信號動態(tài)范圍。AD9856具有200MHz的內部時鐘，集成帶鎖定指示器的4～20倍可編程時鐘倍頻器，提供高的系統時鐘，單端或者差分輸入參考時鐘，而且可以輸出數據時鐘;內部32位正交DDS，可實現FSK調制功能;12位DDS和DAC和數據路徑結構，可接受復合I/Q輸入數據;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SINC功能，在DAC變換之前恢復出想得到的信號包絡。利用AD9856產生調制信號的電路框圖見圖2所示。

　　圖1系統框圖

　　圖2 AD9856產生調制信號的電路

　　從圖2可以看到，在FPGA內進行編碼調制，產生的I/Q兩路信號經由串并轉換后送入AD9856 中，在AD9856內部有一個DDS內核,通過FPGA控制產生正交本振信號送入正交調制器，每路通過2級分別與I/Q信號相乘之后相加，產生正交調制信號，而具體的調制模式可以通過FPGA的基帶信號編碼映射設計，通過12位DAC變?yōu)檎徽{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換為單端信號，經由70MHz的SAW濾波器濾波，選用中頻放大器進行信號放大，就可送入混頻器進行混頻了。

　　混頻器電路

　　混頻電路對2.4GHz頻段的實現極為重要，主要完成將70M中頻信號調制到2.4GHz射頻，要求混頻電路的頻帶抑制型，這里選用MAXIM公司的專用2.4GHz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2.4GHz到2.5GHz之間。采用單端信號，內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8.9dB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，其電路結構如圖3所示。

　　圖3 MAX2671電路

　　射頻本振信號電路設計

　　在信號發(fā)生器設計中，要將70MHz的中頻信號混頻至2450MHz的ISM頻段的射頻信號，需要產生射頻本振信號，頻率為2380MHz。本振信號電路采用PLL+VCO的鎖相環(huán)路提供本振信號，具有和穩(wěn)定度高、頻率可變等優(yōu)點，方便在以后頻率資源調整或擴展。本振信號的頻率穩(wěn)定度很重要，這部分設計以集成電路為，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ADF4113內部完成參考晶振的頻率和壓控振蕩器(VCO)的頻率(經除N分頻 器)相位差的比較，并轉換成相對應的線性電壓輸出，經低通濾波器(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，工作頻率達到4GHz。ADF4113主要由一個低噪聲數字鑒相器(PFD)、一個精密電荷泵、一個可編程參考分頻器、可編程A(6bit)及B(13bit)分頻計數器和一個雙模分頻器(P/P+1)構成。MAX2750是MAXIM公司用于2.4GHz到2.5GHz的ISM頻段的壓控振蕩器，工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段，其電路結構如圖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的設計可以采用專用的程控濾波器芯片實現，比如用MAX297可以實現對低通截至頻率的調整，其截至頻率為0～50KHz，這樣設計更加靈活;另一種方式就是采用標準的3階無源環(huán)路濾波器，即用LRC電路設計。

　　圖5 MAX2750電路圖

　　設計測試

　　確定各級測試頻率和輸入輸出dB值，完成系統調試。進入MAX2671的中頻信號功率為-30dBm～-20dBm，射頻本振信號功率為-10dBm～+5dBm。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到了-9dBm，完夠滿足上混頻器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到了-24.5dBm，完夠滿足上混頻器MAX2671中頻信號輸入在-30dBm到-25dBm之間的要求。

　　圖6 2380MHz的射頻LC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，在通過可調功率放大器設置輸出功率，然后將其送入N型頭輸出。

　　圖7 MAX2671的輸出信號頻譜

　　結語

　　基于2.4GHz射頻信號發(fā)生器是為滿足應用日益廣泛的無線通信、無線局域網等的廣泛應用而設計的，其成本低、外圍電路簡單，工作頻帶穩(wěn)定，參數可調，人機界面友好，與操作普通信號發(fā)生器一樣方便，可以滿足測試儀器、教學和科研等應用要求。
　　

參考文獻:

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[8]. MAX297 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX297_1058308.html.
[9]. LRC datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LRC_2405503.html.