單月忠，劉太君，葉焱，劉明偉

（寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所，浙江 寧波 315211）

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，超外差式電路結(jié)構(gòu)主宰著無(wú)線發(fā)射機(jī)。超外差式體系結(jié)構(gòu)能夠在中頻濾除寬帶噪聲、鏡像和雜散分量[1]，但是超外差技術(shù)最主要的問(wèn)題涉及到鏡像抑制，且需要多次濾波和混頻，不便于集成、功耗大[2]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)和電子設(shè)備對(duì)RFID技術(shù)在低頻段、單頻點(diǎn)、近距離識(shí)別方面越來(lái)越難以滿足需求[3]。由于目前RFID技術(shù)使用頻段主要以低頻的135kHz及13.56MHz為主，這2個(gè)頻段輸出功率小且傳輸距離較短（5～70cm），RFID閱讀器也只能識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽[4-5]。

直接上變頻技術(shù)能夠?qū)⒒鶐盘?hào)直接搬移到射頻載頻。其具有低復(fù)雜性、低成本、高靈活性等優(yōu)點(diǎn)，且不需要中頻放大、濾波、變頻等電路，從而極大地減小了發(fā)射機(jī)的體積、重量和功耗[6-7]。

因此，考慮到國(guó)內(nèi)外對(duì)RFID閱讀器在915MHz與2.45GHz頻段研究不多，本文提出了基于ADL5385芯片，利用上位機(jī)軟件，采用直接上變頻技術(shù)來(lái)解決上述存在的問(wèn)題。

2 整體設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)采用直接上變頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 整體電路結(jié)構(gòu)框圖

具體過(guò)程是：首先上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)指令給單片機(jī)，來(lái)選擇發(fā)射的頻段和射頻輸出衰減量；然后由單片機(jī)控制AD9850 DDS模塊輸出30.72MHz的基準(zhǔn)頻率來(lái)作為ADF4351的參考時(shí)鐘頻率；接著該頻率進(jìn)入ADF4351的鎖相環(huán)和倍頻器后差分輸出，該差分信號(hào)源充當(dāng)本振信號(hào)源輸入ADL5385上變頻芯片，同時(shí)基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)巴倫后變成的差分信號(hào)也輸入ADL5385上變頻芯片；最終上變頻后的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)控制的數(shù)字衰減芯片HMC624LP4和低噪放芯片BL051后，得到所需功率大小的射頻信號(hào)，經(jīng)SMA接頭輸出。其中，ADF4351、HMC624LP4的數(shù)據(jù)傳輸線和串行時(shí)鐘線共用，它們各自的SPI數(shù)據(jù)均由單片機(jī)STC12C5A60S2提供。

對(duì)于ADF4351 環(huán)路濾波器配置參數(shù)，運(yùn)用ADIsimPLL軟件進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)鎖相環(huán)硬件電路的調(diào)試和編寫相關(guān)單片機(jī)控制程序，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的本振信號(hào)源。

3 本振信號(hào)源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本振信號(hào)源需要有低相位噪聲和高無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，本設(shè)計(jì)采用ADF4351鎖相倍頻芯片來(lái)產(chǎn)生本振信號(hào)源。

3.1 輸入輸出外圍電路

如圖2所示，ADF4351基準(zhǔn)輸入頻率REFin為30.72MHz，同時(shí)接收單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)傳輸線DATA、串行時(shí)鐘線CLK、使能控制線LE，通過(guò)ADF4351的鎖相和倍頻后輸出一對(duì)差分本振信號(hào)源。

圖2 輸入輸出外圍電路

3.2 環(huán)路濾波器仿真設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是一個(gè)三階RC濾波器。ADI公司提供的鎖相環(huán)電路配套設(shè)計(jì)軟件ADIsimPLL 3.0中已經(jīng)包括了16種環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)（其中還包含高階的有源濾波器），通過(guò)這個(gè)軟件可以很方便地設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的參數(shù)值，并能通過(guò)修改環(huán)路帶寬、相位裕量、零極點(diǎn)值等來(lái)修改各參數(shù)值。

環(huán)路濾波器是一個(gè)低通濾波器，用來(lái)濾除高頻雜散信號(hào)。本設(shè)計(jì)的環(huán)路帶寬為20kHz，環(huán)路濾波器的具體參數(shù)可以通過(guò)ADIsimPLL仿真軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的環(huán)路濾波器的仿真圖如圖3所示。

3.3 本振信號(hào)源輸出頻譜

圖3 優(yōu)化后的環(huán)路濾波器

以輸出915MHz頻率為例，輸出采用安捷倫頻譜儀測(cè)試頻譜，中心頻率設(shè)為915MHz，掃頻寬度（SPAN）設(shè)為40MHz。ADF4351輸出頻譜如圖4所示?；鶞?zhǔn)頻率為30.72MHz，經(jīng)過(guò)ADF4351鎖相倍頻輸出的本振信號(hào)源功率超過(guò)-5dBm，且具有無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍高、頻率穩(wěn)定的特點(diǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 本振信號(hào)源輸出頻譜

4 直接上變頻設(shè)計(jì)

直接上變頻芯片采用ADL5385來(lái)完成，本振信號(hào)源由ADF4351提供，基帶信號(hào)由安捷倫信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的10MHz的頻率提供。其外圍電路如圖5所示：

圖5 ADL5385外圍電路

ADF4351產(chǎn)生的一對(duì)差分信號(hào)LO_P、LO_N，與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生10MHz的基帶信號(hào)通過(guò)巴倫由單端信號(hào)變成差分信號(hào)的IN_Q、IN_I，同時(shí)輸入到ADL5385芯片，經(jīng)過(guò)直接上變頻后，通過(guò)100nF的電容輸出已調(diào)制的射頻信號(hào) 。其中，基帶信號(hào)IN_Q、IN_I通過(guò)的巴倫需要在中間抽頭加上0.5V的直流電壓。

5 數(shù)字衰減器和低噪放部分的設(shè)計(jì)

數(shù)字衰減器和低噪放匹配電路設(shè)計(jì)如圖6所示：

圖6 數(shù)字衰減器和低噪放匹配電路設(shè)計(jì)

數(shù)字衰減器采用HMC624LP4芯片，該芯片衰減范圍能夠從0dB到31.5dB；低噪放采用BL051芯片，該芯片在900MHz到3.5GHz的頻段范圍內(nèi)有14dB左右的放大能力。ADL5385直接上變頻后輸出的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字衰減器和低噪放，完全能夠滿足控制輸出信號(hào)的功率。單片機(jī)控制數(shù)字衰減器芯片采用SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，跟ADF4351共用數(shù)據(jù)傳輸線和串行時(shí)鐘線，但是分別各自采用使能控制線。調(diào)制好的射頻信號(hào)輸入HMC624LP4數(shù)字衰減器芯片，經(jīng)過(guò)匹配后輸入到BL051低噪放芯片，最后匹配后輸出。

6 上位機(jī)界面及硬件電路實(shí)現(xiàn)

6.1 上位機(jī)軟件界面

上位機(jī)軟件界面采用Microsoft Visual Studio 2008進(jìn)行編寫，并選擇頻段控件和衰減量控件來(lái)完成對(duì)其軟件界面的設(shè)計(jì)。當(dāng)需要選擇發(fā)射本振信號(hào)頻率時(shí)，只需在上位機(jī)軟件界面的頻段控件中選擇發(fā)射本振信號(hào)源的頻率為915MHz或2.45GHz，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射頻段的控制；當(dāng)需要使數(shù)字衰減器衰減發(fā)射信號(hào)的功率時(shí)，只需在上位機(jī)軟件界面的衰減量控件中輸入所需衰減量的值，即可完成對(duì)發(fā)射信號(hào)的功率控制。

6.2 硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

PCB 版圖的設(shè)計(jì)是利用Cadence 公司的軟件OrCAD Capture CIS和PCB Editor，所畫電路板為4層。其中，數(shù)字地和模擬地進(jìn)行了分割處理，目的是為了減小數(shù)字部分電路和模擬部分電路的相互影響，使電路板性能提高，數(shù)字地和模擬地最終都通過(guò)0歐姆電阻進(jìn)行相互連接。電源部分由于ADF4351和數(shù)字衰減器HMC624LP4芯片供電為3.3V，而上變頻芯片ADL5385和低噪放芯片BL051供電為5V，同時(shí)為了減少模擬部分頻率源的輸出電路和數(shù)字部分單片機(jī)的控制電路之間的相互影響，也進(jìn)行了電源分割的處理?？紤]到降低邊緣輻射的效應(yīng)，采用20H原則，即電源層邊緣比地層邊緣縮進(jìn)20倍的層與層間距。

焊接調(diào)試完成后的電路板實(shí)物如圖7所示。該電路板結(jié)構(gòu)主要分為電源、DDS模塊、單片機(jī)、上位機(jī)和發(fā)射電路這5部分。其中，外接輸入電壓為9V，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊后輸出電壓為5V，5V電壓經(jīng)過(guò)LT1085電壓轉(zhuǎn)換芯片后輸出為3.3V，符合電路板正常工作所需的電壓和電流。

圖7 電路板實(shí)物圖

7 性能測(cè)試

以915MHz頻率為例，設(shè)置數(shù)字衰減器衰減量為8dB，本振信號(hào)源由AD9850 DDS模塊產(chǎn)生30.72MHz的頻率經(jīng)過(guò)鎖相倍頻后得到，本振信號(hào)源的頻段由上位機(jī)軟件來(lái)控制選擇。基帶信號(hào)10MHz由安捷倫信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，輸出采用安捷倫頻譜儀測(cè)試頻譜，中心頻率設(shè)為915MHz，掃頻寬度（SPAN）設(shè)為30MHz。直接上變頻后測(cè)試的輸出射頻信號(hào)頻譜如圖8所示。輸出的射頻信號(hào)905MHz和925MHz的功率達(dá)到0dBm以上，且輸出射頻信號(hào)的頻點(diǎn)性能穩(wěn)定。

圖8 直接上變頻后輸出頻譜

8 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合ADF4351、ADL5385、HMC624LP4、BL051和STC12C5A60S2芯片以及AD9850 DDS模塊，通過(guò)上位機(jī)軟件控制，實(shí)現(xiàn)了多頻段可調(diào)直接上變頻發(fā)射電路，并給出了上位機(jī)軟件控制界面和直接上變頻的電路設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。以915MHz直接上變頻的設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)方法為例，給出了外圍電路及頻率合成器、環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)對(duì)硬件電路的調(diào)試和性能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直接上變頻發(fā)射電路，解決了RFID在射頻段輸出功率小、頻段不可調(diào)的難點(diǎn)，從而提高了發(fā)射電路在射頻段輸出的功率，并增加了RFID在射頻段的識(shí)別和通信距離。

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