毫米波發射端中頻調製的實現
2020-11-28 電子產品世界
0 引言
隨著通信事業的發展，信息傳輸量日益增加，無論公用通信網還是專用通信網，通信的業務量都在迅猛增長，紅外和光系統已出現局限性，微波頻譜也已經非常擁擠，面臨這樣的局面，毫米波通信以其得天獨厚的優點得到各個領域的廣泛應用。
毫米波波長短，其設備體積小、重量輕、耗電小、機動性好，在同樣口徑天線下，短波長的毫米波能實現窄波束、低副瓣，因而在目標跟蹤和識別上能提供極高的精度和良好的解析度，同時窄波束還可提高系統的隱蔽性和抗幹擾能力。可通過構建基於軟體無線電原理的毫米波通用硬體平臺將其系統化，而基於軟體無線電原理的毫米波硬體平臺，要求系統的各個組成部分具有可編程、靈活以及小型化的特點。在最大程度上實現該硬體平臺的開放性、數位化、標準化和可編程化。數字上變頻和下變頻技術是構建毫米波通用硬體平臺的關鍵技術。基於此，本文給出一種兩次變頻法的毫米波發射端上變頻方案，並利用Altera公司的Cyclone系列EP1Cl2F324完成基帶數位訊號處理，實現對AD9-857的控制，在數字域完成基帶數位訊號的內插濾波、正交調製、D／A變換等功能，實現70 MHz中頻載波上的QDPSK調製。
1 毫米波發射機
發射機是毫米波通信設備中的重要組成部分，其作用是將已調波經過變頻、放大、濾波等處理後，輸送給天饋系統，發向通信對方或轉發中繼站。發射機的變頻方案可分為兩種：直接變頻法和兩步變換法。直接變頻法是將調製和上變頻合二為一，在一個電路裡完成；兩步變換法是將調製和上變頻分開，先在較低的中頻上進行調製，然後將已調信號上變頻到較高的載頻上(毫米波頻率)。
直接變頻法雖然簡單，但由於其承受功率限制，電路不能有效地提供足夠的輸出功率和較大的動態範圍，並且其他諧波的電平會遠高於所需的信號，對濾波器和放大器的要求也非常高。兩步變換法可減弱直接變頻法的缺點，並且對載波適應性強，頻率靈活性好，合理的頻率配置可有效地抑制各種雜散和變頻過程中產生的諧波、交調分量，提高系統的抗幹擾性能。本方案採用兩步變換法，又由於系統工作在毫米波頻段，其工作頻率比較高，採用二次或多次的變頻方案。
本設計要將70 MHz的信號上變頻到31 GHz輸出，考慮到經過功率放大後的強發射信號洩漏對發射機性能指標將造成影響，並且此時採用濾波器來提取輸出信號非常困難，代價昂貴，因此採用兩次變頻的方法，將中頻信號調製後上變頻到毫米波頻段。設計方案如圖1所示。
圖1中，基帶信號經中頻調製後得到70 MHz的中頻信號，中頻信號經中頻放大和低通濾波後與2．93 GHz混頻得到3 GHz，再將3 GHz與29 GHz混頻得到31 GHz，即利用混頻上變頻到毫米波頻段。其中帶通濾波器用於抑制邊帶噪聲及倍頻產生的幹擾，射頻放大器用於補償倍頻損耗。對於第一本振為獲得較高的頻率穩定度、相位噪聲指標和頻率解析度，可採用混頻鎖相法設計。對於第二本振，由於其頻率達到29 GH- z，接近毫米波頻段，可採用微波鎖相，然後再倍頻的方案實現。
2 中頻調製方式選擇
毫米波信道一般為非線性信道。主要是以數字恆包絡調製為主，非恆包絡調製信號或多載波信號經過毫米波非線性信道時，將導致頻譜擴展或產生交調失真信號。帶內失真分量會干擾調製信號，產生矢量偏差，影響調製精度，使接收解調時的誤碼率增加；帶外失真分量則會干擾鄰近的信道。同時由於毫米波的功率放大技術成本較高，功率輸出有限，毫米波信道是屬於功率受限型，在接收端應採用相干解調技術。因此在選擇適合毫米波通信信道的調製方式時，要注意以下幾點：
(1)要注意它與系統在信噪比方面的匹配度，要儘量使用在相同信噪比的條件下，具有較低誤碼率的調製方式，同時要考慮其頻帶的利用率；
(2)要考慮其在非線性信道上性能的惡化量，要儘量使用恆包絡調製方式；
(3)要分析其抗衰落的性能並考慮採用適當的措施予以補償。
數字通信系統中主要有ASK，FSK和PSK三種基本的調製方式，對目前常用的調製解調方式進行性能比較，可得出，在調製方式的實現方面，2PSK／2DPSK設備簡單、抗幹擾能力強，對衰落信道和非線性信道的適應能力強，但頻譜利用率不高。2FSK設備簡單，對衰落信道和非線性信道的適應能力強，但其頻譜利用率和抗幹擾能力都比2PSK／2DPSK差。4PSK／4DPSK的頻譜利用率是2PSK／2DPSK的兩倍，抗幹擾能力與後
者一樣。設備複雜程度只有少許增加，對衰落信道的適應能力適中，對信道的線性指標要求也不太高。8PSK與4PSK／4DPSK相比，具有更高的頻率利用率，但設備複雜程度有所增加，對信道的衰落和失真特性也比後者敏感，需要採取一定措施來改善性能。
在抗噪方面，PSK性能最好、DPSK次之，其三是FSK，而ASK性能最差。但是，PSK系統的性能雖然優於DPSK系統，可它容易出現「相位模糊」。從系統的頻帶利用率來看，PSK和ASK比FSK佔據更窄的信道帶寬，即PSK和ASK更有效，所以從抗噪聲性能和提高信道帶寬利用率角度來看，PSK是所有二進位鍵控方式中最優的一種。
通過以上分析，由於QDPSK的頻譜利用率高於BPSK等方式，而抗噪聲性能要高於8PSK，16QAM等，且工程實現簡單，成本較低，因此本設計選用QDPSK調製方式。
3 數字正交上變頻器選擇
數字上變頻器主要是對輸入數據進行各種調製和頻率變換，即在數字域內實現調製和混頻。表1給出了具有代表性的數字上變頻器HSP-50215，GC4114和AD9857三種晶片的性能比較。
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