IQ解调变器之设计与制作.ppt

逢甲大學通訊系何滿龍博士 第14單元IQ解調變器之設計與製作 11 2 大綱 簡介QPSK解調變之基本理論電路範例分析電路範例實測結果討論 11 3 簡介 前一章中我們已討論知道QPSK調變是保存頻寬的一種調變方法 如圖10 3所示 在此章中我們將討論QPSK解調變之架構與原理 11 4 QPSK解調變之基本理論 QPSK解調變之電路架構如圖11 1所示 由圖可知 輸入解調變器的QPSK信號需先經由平衡式混頻器與一組正交之基底函數作相乘來分別獲得I與Q的解調資料輸出 解調出的資料信號經由低通濾波器濾除混頻器的高頻號後由資料回復裝置將資料信號還原成標準的數位資料 而後I與Q的數位資料信號在由多工器將並列輸入的資料信號轉為串列資料輸出 11 5 QPSK解調變之基本理論 圖11 1QPSK解調變架構圖 11 6 QPSK解調變之基本理論 由式 10 3 我們知道QPSK信號可以利用下式來表示 11 1 其中m 1 2 3 4 11 7 QPSK解調變之基本理論 將式 11 1 分別與一組正交之基底函數相乘可得 11 2a 11 8 QPSK解調變之基本理論 11 2b 11 9 QPSK解調變之基本理論 觀察式 11 2 我們可發現 一個QPSK信號分別乘上一組正交之基底函數 即cos ct 與sin ct 後 原本藏附於載波信號的資料信號訊息將可以被分離出來 藉由低通濾波器 我們可將載波的兩倍頻諧波輸出部分濾除掉 而獲得I資料與Q資料的輸出 如圖8 1資料回復裝置的輸入信號 m 1 2 3 4 11 3a m 1 2 3 4 11 3b 11 10 QPSK解調變之基本理論 將式 11 3 展開可得 11 4a 11 11 QPSK解調變之基本理論 11 4a 11 12 QPSK解調變之基本理論 由式 11 4 我們可發現解調後之輸出信號XI Data t 與XQ Data t 之大小值與調變器所輸入之2位元信號的關係如表11 1所示 與表10 2完全相同 表11 1解調輸出信號與2位元信號之關係表 11 13 電路範例分析 圖11 2所示為此章節中IQ解調變器的詳細電路方塊圖 由圖可知 此IQ解調變器是由QPSK解調變器 QPSKDemodulator 資料回復器 DataRecovery 時脈回復器 CLKRecovery 曼測斯特解碼器 ManchesterDecoder 與資料結合器 DataCombiner 所構成 各電路於此調變器中所扮演之角色及電路工作原理分述如下 11 14 電路範例分析 圖11 2IQ解調變器的詳細電路方塊圖 11 15 電路範例分析 QPSK解調變器 QPSK解調變器在圖11 2中主要是將QPSK的調變信號與載波信號作相乘 以解調還原產生出解調I資料 DemodIData 與解調Q資料 DemodQData 信號 而後再以基頻電路 BaseBandCircuit 來處理解調後的資料信號 圖11 3所示為利用RF2713所設計製作的QPSK解調變器電路圖 RF2713包含有載波信號的90o相移器 QUADDiv By2 90opowerdivider 數位驅動電路 基頻放大器以及兩組雙平衡混頻器等 11 16 電路範例分析 圖11 3QPSK解調變器電路圖 11 17 電路範例分析 資料回復器 資料回復器在圖11 2中所扮演之功用是在將前一級QPSK解調器解調輸出之IQ資料信號回復成標準的數位資料位準 即Low為0V High為5V 以利後續基頻電路之運作 要製作設計一個資料回復器電路可以簡單的使用一顆運算放大器 A741 來設計一個比較器 並利用電阻與齊納二極體組成一個限幅器 使資料回復器的輸出電壓限制在0 5V 如圖11 4所示 11 18 電路範例分析 圖11 4資料回復器電路 資料回復器 11 19 電路範例分析 時脈回復器 時脈回復器在圖11 2中所扮演之角色是在還原接收到的數位信號時脈 並透過這個時脈來獲悉一連串接收到之數位信號所代表的資訊與提供解碼時所需之時脈信號 圖11 5所示為一個時脈回復電路之完整架構圖 由圖可知 時脈回復電路非常簡單 它僅需由一個延遲 Delay 電路 互斥或閘 XOR 及鎖相迴路電路 PLL 來構成 對於時脈回復電路之動作原理 我們可利用圖11 6所示之時序圖來做說明 11 20 電路範例分析 圖11 5時脈回復器之完整架構圖 時脈回復器 11 21 電路範例分析 圖11 6時脈回復電路之時序圖 時脈回復器 曼徹斯特訊號 即是圖11 7之T2脈波信號 11 22 電路範例分析 圖11 7時脈回復器電路圖 時脈回復器 11 23 電路範例分析 曼測斯特解碼器 曼徹斯特解碼器在圖11 2中所扮演之角色是在將調變器中被編碼的資料信號解碼還原回來 圖11 8所示為曼測斯特解碼之波形圖 由圖可知 要將曼測斯特編碼信號解碼還原出原資料信號僅需將曼測斯特編碼信號與時脈信號 Clock 作互斥或運算 XOR 便可 如圖11 9所示 11 24 電路範例分析 曼測斯特解碼器 圖11 9曼徹斯特信號解碼電路圖 圖11 8曼徹斯特信號解碼波形圖 1 2 1 0為orthogonal 11 25 電路範例分析 資料結合器 在圖11 2中 資料結合器之目的在將解調輸出的並列IQ資料信號還原成串列的資料信號輸出 由上述之功用 我們可知資料結合器其實就是一個並列輸入 串列輸出 ParallelIn SerialOut PISO 的轉換器 其電路架構如圖11 10所示 由圖中可知 它主要是利用移位暫存器74HC165來達成並 串轉換之目的 圖11 11所示之為其時序圖 11 26 電路範例分析 圖11 10資料結合器電路圖 資料結合器 11 27 電路範例分析 圖11 1174HC165之時序圖 資料結合器 11 28 電路範例分析 MSA 06實驗模組IQ調變器IQ解調器 11 29 電路範例實測結果討論 基頻信號之量測 在IQ調變器基頻電路部份的時脈訊號輸入端 CLKI P 輸入一個振幅為2 5V offset為2 5V 頻率為10kHz之方波 即High為5V Low為0V的TTL波 將IQ調變器基頻電路部份的IQ輸出資料分別以連接線接至IQ解調變器基頻電路部份的IQ資料輸入端 圖MSA11 1中DemodIData與DemodQData 以示波器觀察解調器各測試點之輸出波形 並將觀察到之結果記錄下來 11 30 電路範例實測結果討論 圖11 2或圖MSA11 1之基頻信號波形量測結果 CH1 BipolarIDataCH2 BipolarQData CH1 IDataCH2 QData 11 31 電路範例實測結果討論 圖11 2或圖MSA11 1之基頻信號波形量測結果 續 CH1 RecoveredCLK CH1 測試點T1CH2 測試點T2 或參考圖11 7 11 32 電路範例實測結果討論 圖11 2或圖MSA11 1之基頻信號波形量測結果 續 CH1 CoherentCLKCH2 資料回復器IData CH1 DecodedIDataCH2 DecodedQData 11 33 電路範例實測結果討論 圖11 2或圖MSA11 1之基頻信號波形量測結果 續 CH1 DataO PCH2 測試點T3 或參考圖11 10 11 34 電路範例實測結果討論 IQ解調變器之量測 在IQ調變器的時脈訊號輸入端 CLKI P 輸入一個振幅為2 5V offset為2 5V 頻率為10kHz之方波 即High為5V Low為0V的TTL波 在ETEKMSA 2003 06模組中之功率分配器 PowerDivider 的本地信號輸入端 LOI P 輸入一個振幅為400mV 5dBm 頻率為70MHz的載波信號 將功率分配器的輸出端 LO1O P與LO2O P 輸出信號分別以射頻連接線接至IQ調變器的載波信號輸入端 CarrierI P 與IQ解調變器的載波信號輸入端 CarrierI P 11 35 電路範例實測結果討論 利用射頻連接線將IQ調變器的QPSK調變信號連接至IQ解調變器的QPSK輸入端 QPSKI P 以示波器觀察解調器各測試點之輸出波形 並將觀察到之結果記錄下來 11 36 電路範例實測結果討論 圖11 2或圖MSA11 1之IQ解調變器波形量測結果 CH1 BipolarIDataCH2 BipolarQData QPSK 時域 11 37 電路範例實測結果討論 圖11 2或圖MSA11 1IQ解調變器波形量測結果 續 CH1 DemodIDataCH2 DemodQData CH1 IDataCH