毫米波發(fā)射端中頻調制的設計

0 引言

隨著(zhù)通信事業(yè)的發(fā)展，信息傳輸量日益增加，無(wú)論公用通信網(wǎng)還是專(zhuān)用通信網(wǎng)，通信的業(yè)務(wù)量都在迅猛增長(cháng)，紅外和光系統已出現局限性，微波頻譜也已經(jīng)非常擁擠，面臨這樣的局面，毫米波通信以其得天獨厚的優(yōu)點(diǎn)得到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應用。

毫米波波長(cháng)短，其設備體積小、重量輕、耗電小、機動(dòng)性好，在同樣口徑天線(xiàn)下，短波長(cháng)的毫米波能實(shí)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分辨率，同時(shí)窄波束還可提高系統的隱蔽性和抗干擾能力?？赏ㄟ^(guò)構建基于軟件無(wú)線(xiàn)電原理的毫米波通用硬件平臺將其系統化，而基于軟件無(wú)線(xiàn)電原理的毫米波硬件平臺，要求系統的各個(gè)組成部分具有可編程、靈活以及小型化的特點(diǎn)。在最大程度上實(shí)現該硬件平臺的開(kāi)放性、數字化、標準化和可編程化。數字上變頻和下變頻技術(shù)是構建毫米波通用硬件平臺的關(guān)鍵技術(shù)?；诖?，本文給出一種兩次變頻法的毫米波發(fā)射端上變頻方案，并利用Altera公司的Cyclone系列EP1Cl2F324完成基帶數字信號處理，實(shí)現對AD9-857的控制，在數字域完成基帶數字信號的內插濾波、正交調制、D／A變換等功能，實(shí)現70 MHz中頻載波上的QDPSK調制。

1 毫米波發(fā)射機

發(fā)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(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波等處理后，輸送給天饋系統，發(fā)向通信對方或轉發(fā)中繼站。發(fā)射機的變頻方案可分為兩種：直接變頻法和兩步變換法。直接變頻法是將調制和上變頻合二為一，在一個(gè)電路里完成；兩步變換法是將調制和上變頻分開(kāi)，先在較低的中頻上進(jìn)行調制，然后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(jiǎn)單，但由于其承受功率限制，電路不能有效地提供足夠的輸出功率和較大的動(dòng)態(tài)范圍，并且其他諧波的電平會(huì )遠高于所需的信號，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(diǎn)，并且對載波適應性強，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(guò)程中產(chǎn)生的諧波、交調分量，提高系統的抗干擾性能。本方案采用兩步變換法，又由于
系統工作在毫米波頻段，其工作頻率比較高，采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(jīng)過(guò)功率放大后的強發(fā)射信號泄漏對發(fā)射機性能指標將造成影響，并且此時(shí)采用濾波器來(lái)提取輸出信號非常困難，代價(jià)昂貴，因此采用兩次變頻的方法，將中頻信號調制后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(jīng)中頻調制后得到70 MHz的中頻信號，中頻信號經(jīng)中頻放大和低通濾波后與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。其中帶通濾波器用于抑制邊帶噪聲及倍頻產(chǎn)生的干擾，射頻放大器用于補償倍頻損耗。對于第一本振為獲得較高的頻率穩定度、相位噪聲指標和頻率分辨率，可采用混頻鎖相法設計。對于第二本振，由于其頻率達到29 GH- z，接近毫米波頻段，可采用微波鎖相，然后再倍頻的方案實(shí)現。

2 中頻調制方式選擇

毫米波信道一般為非線(xiàn)性信道。主要是以數字恒包絡(luò )調制為主，非恒包絡(luò )調制信號或多載波信號經(jīng)過(guò)毫米波非線(xiàn)性信道時(shí)，將導致頻譜擴展或產(chǎn)生交調失真信號。帶內失真分量會(huì )干擾調制信號，產(chǎn)生矢量偏差，影響調制精度，使接收解調時(shí)的誤碼率增加；帶外失真分量則會(huì )干擾鄰近的信道。同時(shí)由于毫米波的功率放大技術(shù)成本較高，功率輸出有限，毫米波信道是屬于功率受限型，在接收端應采用相干解調技術(shù)。因此在選擇適合毫米波通信信道的調制方式時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

(1)要注意它與系統在信噪比方面的匹配度，要盡量使用在相同信噪比的條件下，具有較低誤碼率的調制方式，同時(shí)要考慮其頻帶的利用率；

(2)要考慮其在非線(xiàn)性信道上性能的惡化量，要盡量使用恒包絡(luò )調制方式；

(3)要分析其抗衰落的性能并考慮采用適當的措施予以補償。

數字通信系統中主要有ASK，FSK和PSK三種基本的調制方式，對目前常用的調制解調方式進(jìn)行性能比較，可得出，在調制方式的實(shí)現方面，2PSK／2DPSK設備簡(jiǎn)單、抗干擾能力強，對衰落信道和非線(xiàn)性信道的適應能力強，但頻譜利用率不高。2FSK設備簡(jiǎn)單，對衰落信道和非線(xiàn)性信道的適應能力強，但其頻譜利用率和抗干擾能力都比2PSK／2DPSK差。4PSK／4DPSK的頻譜利用率是2PSK／2DPSK的兩倍，抗干擾能力與后者一樣。設備復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(xiàn)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，但設備復雜程度有所增加，對信道的衰落和失真特性也比后者敏感，需要采取一定措施來(lái)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(yōu)于DPSK系統，可它容易出現“相位模糊”。從系統的頻帶利用率來(lái)看，PSK和ASK比FSK占據更窄的信道帶寬，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(lái)看，PSK是所有二進(jìn)制鍵控方式中最優(yōu)的一種。

通過(guò)以上分析，由于QDPSK的頻譜利用率高于BPSK等方式，而抗噪聲性能要高于8PSK，16QAM等，且工程實(shí)現簡(jiǎn)單，成本較低，因此本設計選用QDPSK調制方式。