四相調制(QPSK)發(fā)射機的設計

以往在空空導彈遙測中多采用PCM/FM 體制，發(fā)射機為調頻方式，多工作于鎖相調頻方式。某低空炮彈遙測系統為提高抗地面多徑干擾的能力，采用了直序擴頻調制，需要使用四相調制(QPSK)發(fā)射機。該發(fā)射機與信號采集電路采用數字接口，利用雙路差分輸出數/模轉換電路AD9761產(chǎn)生基帶I/Q信號，利用ADF4360-1鎖相環(huán)產(chǎn)生差分本振信號，利用AD8346進(jìn)行差分正交調制，采用差分電路提高了系統性能，降低了本振泄漏，采用射頻放大芯片HMC478和HMC457將信號放大到29 dBm。經(jīng)測試功率輸出端的信號調制矢量誤差(EVM)為5%。該發(fā)射機已經(jīng)參與遙測系統試驗，結果證明工作穩定。

1 發(fā)射機常用調制方式

發(fā)射機調制方式常用中頻調制和射頻直接調制2種方式。中頻調制是在較低的中頻上進(jìn)行調制后，再通過(guò)混頻等頻率變換，把該中頻信號搬移到需要的發(fā)射載波頻率上去。對射頻的直接調制是在需要發(fā)射的射頻頻率上進(jìn)行的，直接把基帶信號調制到射頻載波頻率上，沒(méi)有變頻環(huán)節。兩種調制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要對比見(jiàn)表1。

由于中頻調制一般是在較低的頻率上進(jìn)行的，調制器的選擇范圍大，易于實(shí)現，并且由于變頻環(huán)節的存在，對調制的直流分量和載波泄露都有較好的抑制。但因采用了變頻環(huán)節，所以相對直接射頻調制需要增加混頻器、濾波器和一級本振，提高了系統復雜度，增加了系統成本，可靠性也有所降低。同時(shí)由于中頻頻率較低，難以實(shí)現較高的調制帶寬。

射頻直接調制的方法具有系統簡(jiǎn)單可靠，調制帶寬寬，器件少，成本低等優(yōu)點(diǎn)，比較適合高數據率、小體積等場(chǎng)合的應用需要。但存在適應載波頻率受限，載波泄露較大，對本振要求要較高等問(wèn)題，在對載波泄漏、帶外衰減的要求嚴格時(shí)難以滿(mǎn)足指標要求。

2 發(fā)射機設計

本系統工作在遙測專(zhuān)用的S波段，一般情況下用戶(hù)數有限，對于載波泄漏和帶外衰減要求不太嚴格，而本系統關(guān)鍵問(wèn)題是遙測艙可用空間小，需要抗很強的炮彈發(fā)射過(guò)載，因此本方案選用射頻直接調制方式。本發(fā)射機本振和I，Q信號都采用差分輸出方式，利用差分接口的調制器實(shí)現調制，較好地抑制了電路中的共模干擾。圖1為發(fā)射機原理框圖?；鶐盘柦?jīng)濾波對射頻本振進(jìn)行調制，而后經(jīng)射頻放大、低通濾波器除諧波輸出。

2.1 數字接口設計

因前端數字電路可直接輸出差分的I，Q數字信號，因此設計初期在發(fā)射機中未設計數字接口電路，直接由前端數字電路輸出的差分I，Q信號對射頻本振進(jìn)行正交調制，但經(jīng)實(shí)際試驗，調制特性太差，主要原因在于數字電路輸出與調制器難以匹配。因此對其進(jìn)行了改進(jìn)，在發(fā)射機內加入了由AD9761雙路差分輸出 DAC構成的接口電路。該電路具有40 MSPS轉換速率(單路40 MSPS)、10 bit DAC、雙路差分轉換輸出，并

且具有2倍采樣插值濾波功能。該電路輸出為電流模式，能夠實(shí)現與調制器的良好匹配。

2.2 基帶濾波電路設計

符號速率為1 MHz的隨機序列頻譜如圖2所示。對信號進(jìn)行濾波可以對邊帶信號進(jìn)行抑制，減小帶寬的占用。如果采用模擬濾波則需要的濾波器階數很高，這會(huì )增大濾波器的體積，降低環(huán)境的穩定性。采用數字濾波技術(shù)可以很方便地實(shí)現高階濾波，對近端帶外信號進(jìn)行抑制，降低對模擬濾波器的要求。本方案采用的數字接口電路是具有2 倍采樣43階FIR的低通插值濾波電路，相當于增加了濾波器，阻帶抑制達到62 dB，因此調制輸出的信號頻譜特性得到了很大改善，通帶外的近端頻譜得到了很大抑制，對于高于轉換時(shí)鐘的頻率，其濾波特性的周期性折疊。圖3為經(jīng)過(guò)插值數字濾波后的頻譜與原頻譜的對比，數字插值濾波電路的阻帶抑制使模擬濾波器有較寬的過(guò)渡帶，電路要求得以降低。

為簡(jiǎn)化電路，本方案采用了較簡(jiǎn)單的RC濾波電路，旁瓣抑制達到40 dB。

2.3 本振設計

本振電路產(chǎn)生射頻本振信號。由于正交相位調制對本振信號的性能要求較高，且本系統中采用直接射頻調制，為達到一定的載波泄漏控制，應選擇差分輸出的本振電路。本方案選用ADF4360-1集成鎖相環(huán)(PLL)電路產(chǎn)生射頻本振。ADF4360-1是AD公司的一款集成VCO的完整鎖相環(huán)芯片，體積小，使用方便，性能可靠等特點(diǎn)。封裝僅有4 mm×4 mm，能夠輸出2 050～2 450 MHz的射頻信號，采用3線(xiàn)串行接口控制。

2.4 調制電路

調制電路主要完成直接射頻調制功能。它采用經(jīng)過(guò)濾波的雙路差分調制信號對射頻本振進(jìn)行調制。本設計選擇了AD公司生產(chǎn)的正交調制器AD8346，它是一款寬頻段正交調制器，工作頻段為800～2 500 MHz，具有調制精度高，噪聲電平低等特點(diǎn)，其相位誤差為1°，I，Q幅度不平衡度為0.2 dB，噪聲電平為-147 dBm/Hz。本項目使用頻率為2.2～2.3 GHz，通過(guò)合理電路布局和端口匹配，達到了較好的調制效果，實(shí)測矢量調制誤差為2%～3%。

2.5 放大電路

由于射頻調制后信號幅度較小，所以必須進(jìn)行有效的放大，以達到需要的功率。在本方案中采用了兩級射頻放大器，第一級采用HMC47 8MP86，第二級采用HMC457QS16G，兩級放大器的輸入輸出為50 Ω匹配，HMC478的增益高，噪聲系數低，線(xiàn)性度好;HMC457的輸出功率大，其1 dB壓縮輸出可達30.5 dBm。兩級放大器的增益共有41 dB，扣除級間匹配等損失，最終輸出29 dBm。兩級放大器都是Hittite公司的工業(yè)級產(chǎn)品，可以滿(mǎn)足-40～+85℃的溫度環(huán)境，并且都采用表面貼裝的封裝形式，抗沖擊振動(dòng)能力強。

2.6 射頻濾波電路設計

射頻放大電路不可避免存在一定的非線(xiàn)性，會(huì )產(chǎn)生工作頻率的諧波，為降低帶外輻射，減小對其他系統的干擾，設計了微帶低通濾波電路，對諧波進(jìn)行抑制。

2.7 電源設計

電源電路用于將12 V非穩壓輸入轉化為發(fā)射機各部件使用的5 V和3.3 V電壓。其中5 V為接口電路和放大電路供電，因耗電較大，而選擇了DC/DC轉換電路，以達到較高的轉換效率;3.3 V用于鎖相本振電路，采用線(xiàn)性穩壓電路通過(guò)對5 V降壓得到，以降低紋波。在設計中分別采用了LT公司的LT3431和LT1962。在印制板布線(xiàn)時(shí)為減小電源紋波，對電源布線(xiàn)進(jìn)行了詳細的優(yōu)化。

3 設計結果

本項目在一片φ75 mm的電路板上完成了電路設計，裝配完成后進(jìn)行了級間匹配調整。最終達到的指標是：本振相位噪聲為-95dBc/Hz@1 kHz;本振雜散抑制為72 dBc;輸出信號功率為29 dBm;輸出信號EVM為5.5%。

4 結語(yǔ)

本發(fā)射機已研制完成，通過(guò)高低溫、沖擊、振動(dòng)等環(huán)境試驗，參與了某低空遙測系統實(shí)彈發(fā)射試驗。在整個(gè)過(guò)程中，發(fā)射機的工作穩定可靠，可以達到設計目標。