专利名称：400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于短距离超短波通信的视频信号正交移相键控调制器以及射频放大和
天线驱动电路，该电路采用了正交移相键控调制(QPSK)、自动频率控制(automatic frequency control, AFC)和自动相位控制(automatic phase control, APC)，以及天线驱动放大一体化设 计和实现方案，属于无线射频通信技术领域。
背景技术：
在国际上，近年来，多传感器信息获取发展了一种全新的信息获取方式——无线传感器/ 执行器网络(wireless sensor and actor networks, WSAN)。无线传感器/执行器网络，它是由许 多静止或移动的低成本、资源有限的传感器/执行器以自组织和多跳的通信方式构成的无线网 络，其目的是协作地感知、采集处理、控制和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息， 并把信息报告给用户。在诸如环境排污源时实时监测和执法监察、湿地鸟类动物行为自动观 察、道路交通监控、安全场所的监控等无线传感器/执行器网络节点，这些节点需要带有视频 图象获取和传输功能。
工作在超短波频段(超高频UHF300 3000MHZ)的手持式民用无线电对讲机应用领域， 低成本可视化的无线电对讲机也有较大市场需求。
目前，上述的野外工作环境的低成本监测监控无线传感器/执行器网络，以及手持式民用 低成本无线电对讲机，它们一般不具有低成本特性的视频图象获取和传输功能。
为了设计带有视频功能的、且具有较高的性能/价格比的低成本的视频监视监控传感器/ 执行器网络节点装置，以及设计可视化无线电对讲机，除视频图象获取和传输方面的电路设 计需要专门的考虑外，视频信号调制器射频噪声的抑制以及独立的天线驱动放大电路模块， 会直接影响视频监视监控传感器/执行器网络节点装置，以及可视化无线电对讲机的性能/价 格比。
目前工作在频率范围为400 470 MHZ (兆赫)的视频监视监控无线传感器/执行器网络 节点，和低成本可视化无线电对讲机，存在视频图象分辨率低，接收的传输图象质量不高， 存在严重"拖尾"现象，并且射频输出干扰严重。其主要原因主要有 一是，发射频谱纯度 不高，调制器射频输出的第一旁瓣不能够被有效地抑制，造成谐波和杂波干扰严重。二是， 调制器、上变频器及天线驱动放大电路模块是各自独立的设计的，它们之间没有带有负反馈 的自动频率控制(automatic frequency control, AFC)禾Q自动相位控制(automatic phase control, APC)，造成发射频率的准确度和稳定度不高。
发明内容
技术问题本发明的目的是提出一种400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器， 采用可编程数字QPSK/16—QAM调制器芯片、耦合和65MHz滤波器电路、430兆赫上变频器、 自动频率控制(AFC)和自动相位控制(APC)混合回路、可编程及天线驱动放大器等器件， 为野外工作环境的低成本监测监控传感器/执行器网络节点装置，及手持式民用低成本可视化 无线电对讲机而设计的，用于短距离430兆赫频点超短波通信的视频信号正交移相键控调制 器及直接驱动400 470MHZ波段的超短波天线。
技术方案本发明采用了数字式正交移相键控调制(QPSK)技术，设计了一种新型的 视频信号正交移相键控调制器及射频放大和天线驱动电路，该电路的射频工作频点为430MHZ (兆赫)，可调的频点范围为400 470MHZ (兆赫)。该电路对射频输出第一旁瓣的抑制能力 能够达到35dB (分贝)，克服了射频输出的干扰。并且采用了正交移相键控调制器和天线驱动 放大电路一体化设计，以及设计了带有负反馈的自动频率控制和自动相位控制(AFC/APC) 混合回路，这样一来，具有了较高的性能/价格比，又降低了成本。
本发明的400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器包括由可编程数字QPSK/16
一QAM调制器和控制处理器组成的正交移相键控调制器、耦合电路和65MHz滤波器、430MHZ
上变频器、可编程天线驱动放大器、自动频率控制和自动相位控制混合回路；其中，QPSK/16
一QAM调制器、耦合电路和65MHz滤波器、430MHZ上变频器、可编程天线驱动放大器顺
序串联连接，QPSK/16—QAM调制器的增益控制总线直接接可编程天线驱动放大器的控制输
入端，可编程天线驱动放大器的输出端接外部的天线分离器，可编程天线驱动放大器的反馈
信号输出端接自动频率控制和自动相位控制混合回路的输入端，自动频率控制和自动相位控
制混合回路的输出端接正交移相键控调制器中的控制处理器，控制处理器通过直接控制线和
串行控制总线与QPSK/16—QAM调制器连接。
可编程数字QPSK/16—QAM调制器芯片的型号是AD9853，在这一单个芯片上集成了高 速直接数字频率合成器(DDS),高性能高速数模变换器(DAC)，数字滤波器和其他DSP功 能，构成了一个完整的和灵活的可编程式数字调制器器件。AD9853调制器芯片的制造基于先 进CMOS工艺并在CMOS数字调制器性能上采用新的标准。AD9853调制器芯片具有可编程 功能和提供直接输出至数字可编程天线驱动放大器。
耦合电路和65MHz滤波器电路采用七阶椭圆50Q阻抗的低通滤波器电路。 430MHZ上变频器芯片的型号是LT5511,该芯片能够满足高线性度的无线发射系统要求， 它包含一个差动本振缓冲放大器和双平衡混频器。它的LO (本振)，RF (射频)和IF (输入 中频)端口能够很容易地与宽频范围的不同放大器匹配。这个高性能的本振缓冲器允许使用 一个单端的本机震荡器源，不需要使用不平衡变压器。
自动频率控制和自动相位控制(AFC/APC)混合回路采用10 500MHz放大器MAX2471, 它是SOT23-6塑料封装，6个引脚，其内部包括输入缓冲放大器、输出同相和反相驱动器及偏 置控制电路。
可编程天线驱动放大器电路设计由"300MHz 1.0G的低噪声射频放大器"和 "200MHz 1.0G射频功率驱动放大器"组成，直接用于低成本监测监控传感器/执行器网络节 点装置，及可视化无线电对讲机的低功耗天线驱动。
有益;i果目前，野外工作环境的低成本监测监控无线传感器/执行器网络节点不带有 视频图象获取和传输功能。
低成本的短距离可视化无线电对讲机性能差且性能不稳定，如接收的图象传输质量不高， 存在严重"拖尾"现象，并且射频输出干扰严重。其主要原因包括，没有带负反馈的自动频 率控制和自动相位控制(AFC/APC)，造成发射频率的准确度和稳定度不髙。另外，调制器射 频输出的第一旁瓣不能够被有效地抑制，发射频谱纯度不高，造成谐波和杂波干扰严重。
本发明既为低成本、资源有限的视频监测监控无线传感器/执行器网络节点设计提供了解 决方案，又为低成本的短距离可视化无线对讲机性能/价格比的提高提供了解决方案。
本发明①釆用了数字式正交移相键控调制(QPSK)方式；②釆用了正交移相键控调 制器和天线驱动放大电路一体化设计；③采用了带负反馈的自动频率控制(AFC)和自动相 位控制(APC)混合回路。这样一来，实现了视频信号的数字式正交移相键控调制，提高了发 射频点的准确度和稳定度，有效地抑制了射频输出第一旁瓣，克服了射频干扰，同时又降低 了成本。
本发明能够实现对输入信号做正交相移调制，及自动频率控制(AFC)和自动相位控制 (APC)混合控制，通过上变频器将中频信号提升为430MHZ射频，并使射频输出第一旁瓣 的抑制能力能够达到35dB,也能够对其进行功率驱动放大，直接连接天线辐射超高频电磁波。
图1是本发明的原理方框图。
图2是"正交移相键控调制器"的实施例电原理图。
图3是"耦合电路和65MHz低通滤波器"的实施例电原理图。
图4是"430MHZ上变频器"的实施例电原理图。
图5是"AFC/APC混合回路"的实施例电原理图。
图6是"可编程天线驱动放大器"的实施例电原理图。
具体实施例方式
图1是本发明的原理方框图。它是由正交移相键控调制器、耦合电路和65MHz滤波器电 路、430MHZ上变频器、自动频率控制和自动相位控制(AFC/APC)混合回路、可编程天线
驱动放大器等组成。
(1)正交移相键控调制器
图2是"正交移相键控调制器"的实施例电原理图。正交移相键控调制是在其输入端加 一个数字控制信号，调制发送载波的相位，调制的相位数目不仅限于(相移键控PSK方式中 的)两个，正交相移调制(QPSK)正是基于该原理。利用QPSK，载波可以承载四种不同的相 移(4个码片)，每个码片又代表2个二进制字节。这种调制方式使同一载波能传送2比特的信 息而非原来的1比特，从而使载波的频带利用率提高了一倍。
正交移相键控调制器釆用数字QPSK/16-QAM调制器AD9853芯片，它具有的特性和功能 ①采用MQFP-44引脚封装；②165MHz内部基准时钟功能；③可编程形成脉冲FIR滤波器 和可编程内插滤波器； FSK/QPSK/DQPSK716-QAM/D16-QAM调制格式(DQPSK差动正 交相位变换调制)； 单电源3.3 5V;⑥低功耗750mW (在满时钟速度，3.3V电源时)。
基准时钟输入AD9853芯片的"REFCLKIN"端。待发送的视频串行数据信号作为数字 控制信号，输入给AD9853芯片的"DATA IN"端，并受"TX ENABLE"的信号控制，构成 脉冲帧有效输入数据流。各种发射参数，其中包括输入数据率、调制方式、FEC和随机函数 发生器结构配置及其它一些调制功能参数，经串行控制总线编程进入到AD9853芯片。还有前 向纠错方式使能、复位等经直接控制线进入到AD9853芯片。AD9853芯片中的直接数字频率 合成器DDS (direct digital synthesizer)传递了经调制编码器I/Q数据通道的数字调制正余弦载 波信号，DDS通过芯片中的控制总线去调谐AD9853输出载波频率(foUT)。在AD9853芯片 中，信号处理都是以数字方式进行的，AD9853芯片中的后端部分D/A转换器是将数字信号转 换成模拟的调制载波信号传递到驱动器放大器中。AD9853芯片的"24"、 "25"引脚提供调制 载波信号的电流输出。
(2 )耦合电路和65MHz滤波器电路
图3是"耦合电路和65MHz低通滤波器"的实施例电原理图。耦合电路和65MHz滤波 器采用七阶椭圆50Q阻抗的低通滤波器电路。
(3) 430MHZ上变频器
图4是"430MHZ上变频器"的实施例电原理图。上变频器将中频信号提升为430MHZ 射频，430MHZ上变频器芯片的型号是LT5511，它的LO (本振)缓冲器由高速差动放大器和 限幅器组成，用来驱动高线性度的混频器。LO+和LO-引脚设计为差分或单端驱动。IF中频输 入为10 300MHz，本振输入功率为一15—5dBm，本振缓冲器驱动电平为一10dBm;变频增 益一0,7 0dB,PldB为5.9dBm，IIP3为17dBm，单边带噪声系数为5dB，电源电压为4.0~5.25V。 本振输入频率为400 2700MHz，射频输出频率为400 3000MHz，能完成宽带RF射频和IF中 频操作。
(4) 自动频率控制和自动相位控制(AFC/APC)混合回路
图5是"AFC/APC混合回路"的实施例电原理图。自动频率控制和自动相位控制 (AFC/APC)混合回路是针对以下二点考虑设计和研制的①提高发射频谱纯度，有效地抑
制调制器射频输出的第一旁瓣。②调制器和上变频器及天线驱动放大电路之间带有负反馈的 自动频率控制和自动相位控制(AFC/APC)，以提高发射频率的准确度和稳定度。
AFC/APC混合回路采用10 500 MHz放大器MAX2471 ，放大器的增益为9 14 dB，噪 声系数为10 dB,并带有64 dB的反相隔离。MAX2471是SOT23-6塑料封装，6个引胆卩，其 内部包括输入缓冲放大器、输出同相和反相驱动器及偏置控制电路。 (5)可编程天线驱动放大器
图6是"可编程天线驱动放大器"的实施例电原理图。可编程天线驱动放大器电路设计 由"300MHz 1.0G的低噪声射频放大器"和"200MHz 1.0G射频功率驱动放大器"组成。
300MHz 1.0G的低噪声射频放大器的型号是MBC13720 (美国Freescale公司生产)，可 以满足300MHz 1.0G频率范围的低噪声射频放大，其工作电压2.5 3.0V。芯片采用SOT-363 封装，6个引脚，芯片内部包括一个放大器， 一个开关和一个偏置控制电路。
200MHz 1 .OG射频功率驱动放大器的型号是AD8353(美国模拟器件公司生产)，采用CP-8 封装，8个引脚，它是一种宽带、固定增益的线性放大器，设计工作频率的范围是200MHz 1.0G， 输入输出端的阻抗均为50Q，用于低成本监测监控传感器/执行器网络节点装置，及可视化无 线电对讲机的低功耗天线驱动。 电路连接关系
对照图2，正交移相键控调制器1IC1 (采用数字QPSK/16-QAM调制器AD9853芯片)的 管脚"1"、 "5"、 "6"、 "7"、 "9"、 "10"、 "12"、 "13"、 "16"、 "19"、 "23"、 "28"、 "36"、 "39"、 "44"连接地(GND)。 1IC1的DVDD管脚"2"、 "8"、 "37"、 "40"、 "43"连接DUT+V端， 1IC1的AVDD管脚"20"、 "22"连接DUT+V端，PLL VCC管脚"14"连接DUT+V端，FEC EN连接地(GND)。1IC1的FECNE管展卩"5"经过第二上拉电阻1R2连接电源正5V，PLL FILTER 管脚"15"经过串联电阻1R3和串联电容1C11连接DUT+V， DAC REST管胜P "18"经过第 一接地电阻1R4连接地(GND)， DACBL管脚"21"经过连通电容1C3连接DUT+V端，DUT+V 端经过第一 第六防干扰电容1C5 1C10连接地(GND)。
对照图2， 1IC1的IOUT管脚"24"连接电磁耦合变压器1T1的输入端"1", IOUTB管 脚"25"连接电磁耦合变压器1T1的输入端"3"，电磁耦合变压器1T1的"3"端和"6"端 连接地(GND)，电磁耦合变压器1T1的输出端"4"连接"耦合电路和65MHz滤波器电路" 中的去加重电阻2R1和第一滤波电感2L1。
对照图2， 1IC1的TSTDATAIN管脚"29"连接开关1SW1的"2"端，开关1SW1的"1" 端连接地(GND)， TSTDATAOUT管脚"31"连接开关1SW1的"3"端，1IC1的DATA IN 管脚"41"接收串行数据输入SDI信号，接收的串行数据输入SDI信号经过第一上拉电阻1R1 连接电源正5V。 1IC1的DVDD管脚"43"连接第一隔离电容1C1和第二隔离电容1C2。
对照图2， 1IC2是晶振器件(型号OSC05),其管脚"14"连接电源正5V，管脚"7" 连接地(GND)，时钟振荡信号输出管脚"8"连接正交移相键控调制器1IC1的REF CLK IN 管脚"38"。 1IC2的管脚"8"连接第二接地电阻1R5。
对照图3，第一滤波电感2L1、第二滤波电感2L2、第三滤波电感2L3串联连接，第一滤 波电容2C1、第二滤波电容2C2、第三滤波电容2C3串联连接，并与第一滤波电感2L1、第二 滤波电感2L2、第三滤波电感2L3相互对应连接。第一旁路电容2C4、第二旁路电容2C5、第 三旁路电容2C6和第一滤波电感2L1、第二滤波电感2L2、第三滤波电感2L3对应连接。去 加重电阻2R1接地。第三滤波电感2L3的另一端连接"430MHZ上变频器"中的第一耦合电 容3C1。
对照图4， "430MHZ上变频器"中的第一变压器3T1的"4"端连接第一耦合电容3C1， "5"端接地。第一变压器3T1的"3"端经过第二耦合电容3C2连接第三接地电阻3R2，并 与混频器3IC1 (型号LT5511)的IF+管脚"4"连接。第一变压器3T1的"1"端经过第三 耦合电容3C3连接第四接地电阻3R1，并与混频器3IC1的IF-管脚"5"连接。
对照图4，混频器3IC1的LO-管脚"1"连接第六耦合电容3C6， 3IC1的管脚"2"、 "3"、 "6"、 "8"、 "9"、 "11"、 "14"接地。3IC1的管脚"7"连接第四耦合电容3C4，管脚"10"连 接控制电阻3R4， 3IC1的RF-管脚"12"连接第二耦合电感3L2， RF+ (管脚"1")连接第一 耦合电感3L1， 3IC1的管脚"15"连接第八耦合电容3C8，并接Vcc电源，第八耦合电容3C8 与第九耦合电容3C9对应连接。3IC1的管脚"16"连接第七耦合电容3C7，第七耦合电容3C7 与第五接地电阻3R3对应连接。
对照图4，第一耦合电感3L1的一端连接第二变压器3T2的"3"端，第二耦合电感3L2 的一端连接第二变压器3T2的"1"端，3T2的"2"端经过第十耦合电容3C10接地，同时3T2 的"2"端连接Vcc电源。3T2的"4"端经过第十一耦合电容3CU接地，3T2的"5"端经过 第十二耦合电容3C12接地，同时，3T2的"5"端通过第十三耦合电容3C13输出至"可编程 天线驱动放大器"中的第一连接电容5C1。
图5是"AFC/APC混合回路"。对照图5， 4IC1芯片采用10 500 MHz放大器，型号是 MAX2471。 4IC1的OUT1管脚"1"经过第一电容4C1输出至正交移相键控调制器1IC1的管 脚"42"， 4IC1的OUTl管脚"3"经过第二电容4C2输出至1IC1的管脚"11"。 4IC1的管脚 "2"连接地。
对照图5，来自"可编程天线驱动放大器"的第二连接电感5L2的两端分别连接第五电容 4C5和第六电容4C6，并经过第五电容4C5、第六电容4C6，输入连接至4IC1的IN1管脚"5" 和4IC1的IN2管脚"4"。第五电容4C5的另外一端与第一电阻4R1 、第七电容4C7相互连接。 第三电阻4R3、第四电阻4R4和第八电容4C8相互连接。
对照图5， 4IC1的管脚"6"连接+5V电源，并与第三电容4C3和第四电容4C4相互连接。 对照图6，"可编程天线驱动放大器"中的第一连接电容5C1与第一连接电感5L1、第三 连接电容5C3和5IC2芯片的RFIN管脚"6"对应连接。5IC2芯片是低噪声射频放大器，频 率范围是300MHz 1.0G，型号是MBC13720。 5IC2的管脚"5"连接地，5IC2的EN1管脚"4" 和管脚"1"、第三连接电阻5R3对应连接。5IC2的管脚"2"经过第二连接电阻5R2分别与 第六连接电容5C6、第七连接电容5C7及第二连接电感5L2对应连接。5IC2的管脚"1"分别
与第一连接电阻5R1、第五连接电容5C5、第四连接电容5C4对应连接。第二连接电感5L2 分别与第一连接电阻5R1、第八连接电容5C8、第六连接电容5C6、第七连接电容5C7和第二 连接电阻5R2对应连接。第八连接电容5C8的另外一端与第九连接电容5C9相互连接。
对照图6， 5IC1芯片是射频功率驱动放大器，频率范围是200MHz 1.0G，型号是AD8353。 5IC1的INPUT管脚"3"连接第九连接电容5C9。 5IC1的"1"、 "4"、 "5"、 "8"连接地。5IC1 的Vpos管脚"6"分别与+5V电源和第十一连接电容5C11、第十二连接电容5C12、第三连接 电感5L3对应连接。5IC1的Vout管脚"7"经过第十连接电容5C10连接至天线分离器，然 后射频信号经天线发射。
权利要求
1.一种400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器，其特征在于该调制器包括由可编程数字QPSK/16—QAM调制器(11)和控制处理器(12)组成的正交移相键控调制器(1)、耦合电路和65MHz滤波器(2)、430MHZ上变频器(3)、可编程天线驱动放大器(4)、自动频率控制和自动相位控制混合回路(5)；其中，QPSK/16—QAM调制器(11)、耦合电路和65MHz滤波器(2)、430MHZ上变频器(3)、可编程天线驱动放大器(4)顺序串联连接，QPSK/16—QAM调制器(11)的增益控制总线直接接可编程天线驱动放大器(4)的控制输入端，可编程天线驱动放大器(4)的输出端接外部的天线分离器，可编程天线驱动放大器(4)的反馈信号输出端接自动频率控制和自动相位控制混合回路(5)的输入端，自动频率控制和自动相位控制混合回路(5)的输出端接正交移相键控调制器(1)中的控制处理器(12)，控制处理器(12)通过直接控制线和串行控制总线与QPSK/16—QAM调制器(11)连接。
2. 根据权利要求1所述的400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器，其特征在 于所述的可编程数字QPSK/16—QAM调制器(11)的型号是AD9853，在这一单个芯片上集 成了高速直接数字频率合成器，高性能高速数模变换器，数字滤波器和其他DSP功能，构成 了一个完整的和灵活的可编程式数字调制器器件。
3. 根据权利要求1所述的400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器，其特征在 于所述的耦合电路和65MHz滤波器(2)采用七阶椭圆50Q阻抗的低通滤波器电路。
4. 根据权利要求1所述的400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器，其特征在 于所述的430MHZ上变频器(3)的型号是LT5511，该芯片包含一个差动本振缓冲放大器和 双平衡混频器。
5. 根据权利要求1所述的400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器，其特征在 于所述的自动频率控制和自动相位控制混合回路(5)采用10 500 MHz放大器MAX2471， 它是SOT23-6塑料封装，6个引脚，其内部包括输入缓冲放大器、输出同相和反相驱动器及偏 置控制电路。
6. 根据权利要求1所述的400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器，其特征在 于所述的可编程天线驱动放大器(4)设计由"300MHz 1.0G的低噪声射频放大器"和"200MHz 1.0G射频功率驱动放大器"组成，直接用于低成本监测监控传感器/执行器网络节 点装置，及可视化无线电对讲机的低功耗天线驱动。
全文摘要
400至470兆赫无线视频信号正交移相键控调制器涉及一种用于短距离超短波通信的视频信号正交移相键控调制器以及射频放大和天线驱动电路，该电路采用了正交移相键控调制(QPSK)、自动频率控制(automatic frequency control，AFC)和自动相位控制(automaticphase control，APC)，以及天线驱动放大一体化设计和实现方案，该调制器包括由可编程数字QPSK/16-QAM调制器(11)和控制处理器(12)组成的正交移相键控调制器(1)、耦合电路和65MHz滤波器(2)、430MHZ上变频器(3)、可编程天线驱动放大器(4)、自动频率控制和自动相位控制混合回路(5)；本发明既为低成本、资源有限的视频监测监控无线传感器/执行器网络节点设计提供了解决方案，又为低成本的短距离可视化无线对讲机性能/价格比的提高提供了解决方案。
文档编号H04B1/04GK101364969SQ200810156198
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者徐立中 申请人:河海大学