一種相位調制的微波移相實(shí)現新設計

摘要 相位調制有多種實(shí)現方法。常見(jiàn)的是正交調制。文中提出了一種采用微波移相技術(shù)實(shí)現相位調制的新設計，通過(guò)與正交調制方法進(jìn)行對比，實(shí)現了2，8，16，32和64相的相位調制。實(shí)測表明，文中設計的移相誤差1.2°，誤碼率達到了常見(jiàn)的正交相位調制實(shí)現技術(shù)的誤碼水平。此外新設計無(wú)需常見(jiàn)的正交相位調制實(shí)現技術(shù)所必須的數模轉換器、正交調制器和混頻器，使系統得以簡(jiǎn)化，且成本有所降低。

相位調制有多種實(shí)現方法，既有模擬方法，也有數字方法。近年來(lái)，隨著(zhù)數字技術(shù)和軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展，數字通信逐漸成為主流。相位調制技術(shù)研究也主要集中在數字方法方面。文獻提出基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的數字相位調制的實(shí)現方法，并采用直接頻率合成技術(shù)和查找表技術(shù)，在一片FPGA芯片上實(shí)現適用于衛星通信的相位調制技術(shù)。但由于其對數字處理芯片的處理速度要求較高，所以其應用僅限于專(zhuān)業(yè)研究領(lǐng)域。文獻介紹了數字通信系統中相位調制的多種實(shí)現方法，包括模擬相位選擇方法、鍵控相位選擇法和正交調制法。模擬相位選擇方法和鍵控相位選擇法是早期基于模擬相位調制的實(shí)現方法，目前已很少使用。而正交調制法適應了數字技術(shù)的發(fā)展需要，能實(shí)現絕對調相和相對調相，也可實(shí)現多進(jìn)制調相，是目前最常用的相位實(shí)現方法。但正交調制法需要與數模轉換器件及正交調制器聯(lián)合使用，有時(shí)還需上變頻器，因此成本較高。

當前，微波移相技術(shù)得到了廣泛研究。而簡(jiǎn)單、低成本的移相實(shí)現技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)，文獻設計了一種新型的適用于相控天線(xiàn)陣的Radant透鏡式移相器，但對其在相位調制系統中的應用未作研究。文獻提出一種基于微波移相系統的PSK調制技術(shù)，但對設計的測試結果缺乏深入的對比和分析，本文結合相位調制和微波移相技術(shù)提出了采用正交調制和微波移相兩種方法實(shí)現相位調制的新設計。實(shí)現了2，4，8，16，32和64相的相位調制，同時(shí)對其進(jìn)行了對比。實(shí)際測試表明，采用該技術(shù)制作的無(wú)線(xiàn)發(fā)射系統進(jìn)行通信，誤碼率達到了常用正交調制器的誤碼水平，結構簡(jiǎn)化、成本更低。

1 相位調制的新設計

M相相位調制的載波信號為

Sk(t)=Acos(ωct+θk) (1)

其中，A是常數，由發(fā)射機的發(fā)射能量決定;ωc是載波角頻率;θk是由第k個(gè)基帶數字信號比特位決定的載波相位，θk∈{2πi/M+θ}，i=1，2，…，M-1;θ為初相;M=2，4，8，16，32，64等。

M-PSK信號矢量星座圖如圖1所示。

新設計的框架如圖2所示，結合了兩種方案。一種是傳統的正交調制方法，在圖2中用“The Orthogonal Method”表示，其包括一個(gè)數模轉換器件(DAC)、一個(gè)正交調制器(OM)、一個(gè)中頻數字頻率合成和壓控振蕩器(IF-NCO)以及一個(gè)上混頻器(mixer)。其中，DAC將來(lái)自FPGA的基帶數字信號轉換為模擬信號。OM用輸入的基帶信號調制IF-NCO輸入的中頻余弦信號。mixer將正交調制后的信號和來(lái)自NCO角頻率為ωc-ωi的余弦信號混頻后形成最終的已調載波。

圖2的上半部分是采用微波移相實(shí)現相位調制的新方法，表示為“The New Method”。整個(gè)系統以FPGA為核心，包括一個(gè)NCO和一個(gè)微波調相網(wǎng)絡(luò )WPN。NCO和WPN在FPGA的控制下協(xié)調工作。NCO在FPGA的控制下產(chǎn)生余弦載波信號cos(ωct)。余弦載波信號cos(ωct)經(jīng)過(guò)微波調相網(wǎng)絡(luò )WPN時(shí)，FPGA根據基帶信號按照圖1的星座圖控制WPN，使載波的相位按式(1)變化，實(shí)現載波信號的相位調制?？梢钥吹?，兩種方案的已調載波均經(jīng)過(guò)微波調相網(wǎng)絡(luò )WPN，這樣做是為了保證在基帶信號相同時(shí)兩種方案均具有相同的信噪比(SNR)，通過(guò)改變FPGA的程序便可比較其性能。微波調相網(wǎng)絡(luò )WPN是本設計的關(guān)鍵部分，此處采用6位數字移相器實(shí)現。

MPN是新設計的核心，由6個(gè)級聯(lián)的基本移相單元(BPSC)組成。每個(gè)BPSC由兩個(gè)射頻開(kāi)關(guān)(SW)和兩根長(cháng)度不同的微帶線(xiàn)組成。在FPGA的控制下，BPSC選擇載波經(jīng)過(guò)的微帶線(xiàn)，兩條微帶線(xiàn)的電長(cháng)度之差即為移相角度。6個(gè)移相網(wǎng)絡(luò )單元之間相互獨立，串聯(lián)組成6位數字移相器，開(kāi)關(guān)ON時(shí)移相，開(kāi)關(guān)OFF時(shí)不移相。6位數字移相器實(shí)現的相移度數分別為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°，其結構如圖3所示。

由圖3可看出，FPGA通過(guò)6根信號線(xiàn)分別控制6個(gè)移相網(wǎng)絡(luò )單元實(shí)現移相。當控制信號為0時(shí)，移相網(wǎng)絡(luò )單元選擇短微帶線(xiàn)為通路，長(cháng)微帶線(xiàn)為開(kāi)路。當控制信號為1時(shí)，移相網(wǎng)絡(luò )單元控制長(cháng)微帶線(xiàn)導通，短微帶線(xiàn)斷開(kāi)。而當控制兩條微帶線(xiàn)的通斷即可實(shí)現射頻信號的固定相移。整個(gè)移相器電路可分為兩部分：移相網(wǎng)絡(luò )和控制網(wǎng)絡(luò )。移相網(wǎng)絡(luò )包括微帶線(xiàn)和射頻開(kāi)關(guān)，實(shí)現射頻信號的移相?？刂凭W(wǎng)絡(luò )包括FPGA和反相器，實(shí)現對射頻開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的控制。實(shí)際的移相網(wǎng)絡(luò )電路如圖4所示。圖4是一個(gè)完整的射頻前端電路，不僅包括MPN，還包括射頻放大和電源部分。

根據式(1)，對2相相位調制，θk=180°或0°，只需控制K6的狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)OFF便可實(shí)現調相。

對4相相位調制，θk是90°的倍數，只要控制K5和K6的狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)OFF便可實(shí)現調相。

對8相相位調制，θk是45°的倍數，只要控制K4、K5和K6的狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)OFF便可實(shí)現調相。

對16相相位調制，θk是22.5°的倍數，只要控制K3、K4、K5和K6的狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)OFF便可實(shí)現調相。

對32相相位調制，θk是11.25°的倍數，只要控制K2、K3、K4、K5和K6的狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)OFF便可實(shí)現調相。

對64相相位調制，θk是5.625°的倍數，控制K1、K2、K3、K4、K5和K6的狀態(tài)便可實(shí)現調相。

另外，如果設所有開(kāi)關(guān)均OFF的狀態(tài)對應的載波初相為0，則移相器還可實(shí)現載波初相選擇。例如，要實(shí)現圖1中初相度數θ=45°的星座圖，只需K4處于ON，然后控制K5K6的狀態(tài)即可。

2 仿真和測試

MPN的設計采用ADS軟件包實(shí)現并仿真。設計采用厚度為1.6 mm、介電常數為2.2的Rogers板材，損耗角正切(Loss Tangent)為0.003 5。工作頻率為3.8～4.0 GHz。射頻開(kāi)關(guān)選用Hittite公司生產(chǎn)的GaAs單刀雙擲開(kāi)關(guān)HMC536，插入損耗僅為0.3 dB，符合設計要求。仿真與測試結果如表1所示。由表可見(jiàn)仿真和測試誤差均1.2°，達到了設計和應用要求。

由于其共享射頻前端電路，所以?xún)煞N方案只有軟件上的差別，只需控制FPGA的基帶數據便可比較其性能。測試時(shí)兩種方案均采用相同的基帶數據，硬件環(huán)境保持一致，只修改軟件就可進(jìn)行對比測試。兩種方案的性能對比如圖5所示，其中橫軸為接收信噪比(SNR)，縱軸為接收誤碼率(BER)。“new”表示新設計方案，“orthogonal”表示傳統的正交調制方案。由圖5可見(jiàn)，采用新技術(shù)制作的無(wú)線(xiàn)發(fā)射系統的性能達到了正交調制實(shí)現技術(shù)的誤碼水平。且新設計無(wú)需正交調制實(shí)現技術(shù)必須的正交調制器和混頻器，使系統得以簡(jiǎn)化，并使成本降低。尤其是當該技術(shù)應用于天線(xiàn)陣系統時(shí)還能夠采用同一個(gè)調相網(wǎng)絡(luò )同時(shí)實(shí)現相位調制和波束合成，使系統得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

3 結束語(yǔ)

由圖5可見(jiàn)，采用新技術(shù)制作的無(wú)線(xiàn)發(fā)射系統性能達到了正交調制實(shí)現技術(shù)的誤碼水平。新設計無(wú)需正交調制實(shí)現技術(shù)必須的正交調制器和混頻器，使系統簡(jiǎn)化、成本降低。尤其當該技術(shù)應用于天線(xiàn)陣系統時(shí)，能夠采用同一個(gè)調相網(wǎng)絡(luò )同時(shí)實(shí)現相位調制和波束合成，使系統進(jìn)一步簡(jiǎn)化。例如，當該系統用于BPSK調制時(shí)，由于K1、K2、K3、K4、K5處于空閑狀態(tài)，所以可以用于波束合成。如果該系統的串聯(lián)級數增加，還可以實(shí)現更加精細的波束合成。