fpga的rfic测控平台软件的设计与实现摘要

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基于FPGA的2.4GHz频段射频矢量信号源的设计与实现摘要信号源作为输出标准参考倌号的设备，在电路设计巾具有很秉要的作用。山于在电路设计时往往前后级单独调试，待前后级的功能都正常时再进行联调，所以信号源输岀的信号可以作为P端电路的输入信号对电路进行测试。信兮源的输出信号可以根裾川户的耑要方便的调节，用来满足不同的电路条件，在电路测试具杏广泛的l、V:用。当测试电路功能时，通过比较输入信号和输出信号的差别，米判定电路系统功能足否正常。另外萵精度的信号源也可以用来校正仪表。所以倍号源可以广泛应用在多种电子领域中。随着无线通信技术的发展，2.4GHz频段的无线技术越来越多的被应用到人们的生活当中，除YU常生活中广泛应用的蓝牙、WLAN,其应用领域还涵盖丫包括工商业自动化控制、交通运输监控等。各种不同的应用环境也对2.4GHz信号源提出了不M输出频点、不调制方式等要求。信号源作为电路系统测试的重要设备，起着不可忽视的作川。信号源可以根据用广需要方便的调节各种倌号的参数，相对于宽频段的信号源，专门工作在2.4GHz频段的信号源就显得成本较低，IALR方便实用，另外现场讨编程逻辑阵列器件(FPGA)有高集成度、高可靠性、灵活性强、开发周期短等优点，对于不同调制方式的数字菽带信兮，都可以通过FPGA产生。因此针对2.4GHz频段广泛的无线技术成用，设计一款基于FPGA的2.4GHz频段的信号源，具有十分重要的工程价值。本文对矢M•倌号源射频前端常用的三种结构进行了全而介绍，并比较分析了各种结构的优缺点。M时为了便于之后信号源各个模块的设计，对所选定的结构中主耍功能模块的相太设计理论知识进行了介绍。由于木文中调制部分采用的是止:交调制结构，实际情况K由于模拟硬件的粘度打限，如电稗、电阻的有限公差，以及模拟信号处理过程不完美就异致同相/正交(In-phaseandQuadrature-phase,I/Q)W路信号在幅度和相位上产牛•偏差，即出现I/Q不卞:衡现象。I/Q不T•衡12括幅度不T•衡和相位正交误差。误差矢ffi幅度(ErrorVectorMagnitude，EVM)是衡量矢量信号源调制粘度的关键指标。模拟基带I/Q信号幅度和相位的不平衡会导致产生的镜像倍号不能相互抵消掉，表现迕频域上，可以明显观察到期望倍号频谱的旁边会产生无用的镜像信号，而镜像信号与期望信号具有相同的载谱带宽，这会引起信号源所产生的信号质量下降，经过功率放大后的镜像信兮会严重影响期望信兮的EVM指标。A前I/Q不平衡的校正方法通常是利用反馈的自适应方法來实现，这种方法觅然实吋性强，似需要额外设计硬件结构和复 杂的算法，实现起來相对W难。巾丁•造成I/Q不平衡主耍足芯片和电路板的非理想因素造成，很难通过外加额外的硬件结构乂会引起另外的干扰。本文中利用频谱仪开环测试，然后经过计算得出I/Q幅度和相位不平衡的参数，而且信号源的数字基带信号是山FPGA产生，所以可以在生成数字基带信号吋，将不平衡的参数预设在FPGA屮，对I/Q不平衡进行校正，而这种方法可以通过编程即可实现，井不需要额外的硬件设备。本文在对2.4GHz频段射频矢量信号源的系统没计时，在叨确信号源整体性能耍求的前提下，同时还耍考虑尽g采用控制方式简单的芯八和寄生参数小的小型元器件，捉高元器件的集成度，芯片的选择要足够实现系统指标，卯且还要减少元器件数景。以此为基准，按照所采川的信号源系统结构对各级的增益，功率等指标进行分配和芯片及器件的选择。考虑到2.4GHz公共频段有很多高性能的正交调制芯片、RF开关芯片、放大器芯片等供选择，而且本课题中并不会出现频繁断幵和接通功率放大器电源的现象，W此不会岀现严重的本振牵引现象影响木振频率的稳定性。W外直接变频结构方案简单、乂讯，该结构对正交调制信兮的幅度相位不平衡和直流偏移比较敏感，会异致木振池漏和边带信号的产生，但是在FPGA屮可以方便地通过调整I、Q输入数字信号之间的相移、幅度差、直流偏差等，提高调制信号的边帯抑制和降低木振泄露的fn］题。所以本文最终决定了且接变挽正交调制倌号源结构。根据信号源整体的性能桁称耍求，将具体指标分配到组成信号源系统的各个模块中，来满足整体性能的耍求，指标的分配要根据实际情况来定，即根裾各个部件的物理町实现性进行分配，从而确定合理地分配给各个部分的方案。同时根据指标分配对模块所用到的芯片进行了选择，给出了信号源各个模块的电路原理图的详细设计：设计数模转换器模块，将数字基带信号转换为模拟基带倌号：设计正交调制器模块，实现倍号源的调制以及频率变换的功能：设计射频开欠、放大/衰减模块，以满足信号源输出信号的最小和最大输岀功率。最后使用Agilent公司的ADS2009射频微波仿真软件对系统整体性能进行仿真，并分析了仿真结果。文中由于信号频率较高（2.4GHz〜2.5GHz），所以在设计PCB吋，必须对电路板使用的材料、元器件布局等问题进行充分的考虑，不能按照低频PCB板的设计规则来进行设计。PCB板的元器件密度越来越高，特别足射频电路PCB板，其设计的优劣对射频信号的抗T•扰能力有教导的影响；M样的电路，不M的布只走线结构，其射频性能指細有吋能相差很大。最后根据原理图以及射频PCB板的迭层分配、线宽设计、布局布线等规则设计出信兮源整体PCB。最终对信号源实物进行性能验证，测试结果表明，木文设计的信号源丁.作频率范闹为2.400GHz〜2.490GHz;在百分之•一的误差范围内，频率分辨率可以达到1kHz;在整个工作频率范围也射频输出功率范围为-90〜+20dBm;在百分之一的误差范围內，功率步进可以达到l.OdB; 当采用OQPSK基带信号，输岀功率OdBm时，EVM<7%；在整个丄作频率范围内，二次術波抑制大于40dBc。关键词：射频矢景信号源，无线通信，FPGA,件设计，I/Q不平衡