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802.11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(chǎn)生，大多數(shù)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(xué)儀器使用的需要。本文正是基于這一點，設(shè)計成本低、性能可靠的 2.4GHz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、 16/64-QAM、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。2.4GHz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4～20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2 AD9856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，***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，***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。

混頻器電路

混頻電路對2.4GHz頻段的實現(xiàn)極為重要，主要完成將70M中頻信號調(diào)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(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(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MAX2671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PLL+VCO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，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，***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A(6bit)及B(13bit)分頻計數(shù)器和一個雙模分頻器(P/P+1)構(gòu)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(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0～50KHz，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5 MAX2750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-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(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-24.5dBm，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(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。

圖7 MAX2671的輸出信號頻譜

結(jié)語

基于2.4GHz射頻信號發(fā)生器是為滿足應(yīng)用日益廣泛的無線通信、無線局域網(wǎng)等的廣泛應(yīng)用而設(shè)計的，其成本低、外圍電路簡單，工作頻帶穩(wěn)定，參數(shù)可調(diào)，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(xué)和科研等應(yīng)用要求。