一種用于衛(wèi)星通信的Ka頻段直接調(diào)制器設(shè)計(jì)?

王冬冬， 劉德喜， 何彩分， 沈 鵬

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

一種用于衛(wèi)星通信的Ka頻段直接調(diào)制器設(shè)計(jì)?

王冬冬， 劉德喜， 何彩分， 沈 鵬

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

分析直接調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，闡述其原理和指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種基于諧波混頻方式實(shí)現(xiàn)的Ka頻段直接調(diào)制器，并對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，直接調(diào)制器的性能指標(biāo)均滿足工程要求，可直接應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

Ka頻段； 直接調(diào)制； 正交混頻器； QPSK調(diào)制； 8PSK調(diào)制

引 言

隨著衛(wèi)星的各類應(yīng)用載荷的蓬勃發(fā)展，其傳輸?shù)男畔⒘空咚僭鲩L(zhǎng)，數(shù)據(jù)率越來(lái)越高，調(diào)制頻率和帶寬也隨之提高和增加，而通信系統(tǒng)設(shè)備體積和功耗的限制對(duì)調(diào)制技術(shù)提出了更嚴(yán)苛的要求。微波直接調(diào)制方案可有效解決上述問(wèn)題，它成為衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 直接調(diào)制技術(shù)

1.1 直接調(diào)制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

相位調(diào)制(如BPSK、QPSK、8PSK等)是目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣泛使用的調(diào)制體制。

傳統(tǒng)的調(diào)制方案為，信號(hào)先進(jìn)行數(shù)字基帶到中頻的調(diào)制，再上變頻至射頻段后，送至放大器，經(jīng)天線發(fā)出。而直接調(diào)制技術(shù)只需一次變頻，由本振源產(chǎn)生射頻段的載波，將數(shù)字基帶數(shù)據(jù)直接調(diào)制到載波頻率上，即減少了一個(gè)本振源和上變頻器，從而有利于調(diào)制器與本振源、放大器等集成一體化設(shè)計(jì)，可有效降低電路復(fù)雜度和成本，減少系統(tǒng)設(shè)備量和體積，降低功耗，簡(jiǎn)化后系統(tǒng)可靠性也大大提高。同時(shí)，由于直接調(diào)制器載波頻率高，因而可承載高速率數(shù)字基帶信號(hào)，這就解決了傳統(tǒng)的中頻調(diào)制器限制最高數(shù)據(jù)傳輸速率的問(wèn)題。

1.2 直接調(diào)制技術(shù)原理

采用直接調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)QPSK/8PSK調(diào)制器的方法有多種，以QPSK為例就有兩種實(shí)現(xiàn)方式[1]，分別為相位選擇法和調(diào)相法，其原理如圖1和圖2所示。

相位選擇法由于開關(guān)管開關(guān)時(shí)間有限，不適用于高速率的基帶數(shù)字信號(hào)，且調(diào)制后信號(hào)存在較大的鄰道干擾功率。

圖1 相位選擇法

圖2 調(diào)相法

衛(wèi)星通信系統(tǒng)均為帶限系統(tǒng)，若要處理高速率基帶信號(hào)，則采用調(diào)相法，通過(guò)IQ正交調(diào)制器實(shí)現(xiàn)BPSK/QPSK(SQPSK)/8PSK等多種調(diào)制。原始信息數(shù)據(jù)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后，由符號(hào)映射產(chǎn)生I、Q兩路基帶信號(hào)，送入IQ正交調(diào)制器。在調(diào)制器內(nèi)部，由I、Q兩路信號(hào)分別對(duì)兩路正交的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，相加后得到調(diào)制信號(hào)。

1.3 指標(biāo)分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)大多采用QPSK(SQPSK)/8PSK調(diào)制方式，IQ調(diào)制器的鄰近信道功率電平(ACPL)、誤差矢量幅度(EVM)、載波抑制比是工程應(yīng)用的重要指標(biāo)。

因IQ調(diào)制器是線性模式，調(diào)制后頻譜包絡(luò)不發(fā)生改變，所以可在基帶輸入時(shí)加數(shù)字成形濾波器(如一定滾降系數(shù)的升余弦濾波器)，實(shí)現(xiàn)無(wú)碼間干擾的帶限傳輸，并有效抑制基帶信號(hào)的諧波分量，如此，鄰近信道功率電平將大大降低。

誤差矢量幅度和載波抑制比主要取決于調(diào)制器的設(shè)計(jì)和加工精度。

誤差矢量幅度用于描述調(diào)制信號(hào)質(zhì)量，是實(shí)際調(diào)制輸出信號(hào)與理想調(diào)制信號(hào)的矢量誤差。根據(jù)IEEE802.16的定義，它可用信號(hào)矢量最大幅度歸一化值來(lái)表示。實(shí)際中EVM是以百分比值來(lái)描述，百分比值越小，EVM指標(biāo)越好，調(diào)制信號(hào)質(zhì)量越好。當(dāng)正交混頻器的I、Q兩路信號(hào)存在增益、相位不平衡時(shí)，EVM指標(biāo)變差。

載波抑制比是調(diào)制輸出信號(hào)中載波功率與實(shí)際調(diào)制信號(hào)功率之差，多用dBc表示。理想情況下，IQ調(diào)制器輸出信號(hào)中載波信號(hào)是被抑制的，但當(dāng)存在I、Q路直流偏差時(shí)，本振信號(hào)不能得到完全抑制，調(diào)制信號(hào)輸出會(huì)存在不需要的載波分量，由于本振信號(hào)在調(diào)制信號(hào)的通帶內(nèi)，因而該載波分量不能被濾波器濾除。

2 Ka頻段直接調(diào)制器設(shè)計(jì)方案

實(shí)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)需根據(jù)使用要求權(quán)衡選擇調(diào)制方式。為降低系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜度，抗干擾能力是首要的考慮因素，一般選擇BPSK方式；如果要提高信道帶寬利用率，可選擇QPSK方式，其抗干擾能力與BPSK相當(dāng)，但設(shè)備復(fù)雜度略有增加；如果要進(jìn)一步提高信道帶寬利用率，則選擇8PSK方式，但其抗干擾能力較BPSK、QPSK有所下降。調(diào)制器的矢量誤差使得調(diào)制信號(hào)偏離正確位置，存在一定的載波泄漏，影響地面解調(diào)過(guò)程中數(shù)據(jù)的正確判讀，造成誤碼率惡化。在工程應(yīng)用中，對(duì)發(fā)射信號(hào)調(diào)制特性的要求一般為相位誤差在4°以內(nèi)，幅度誤差在6%以內(nèi)，載波抑制比30dBc以上。

本文設(shè)計(jì)采用IQ諧波混頻器[2，3]實(shí)現(xiàn)Ka頻段直接調(diào)制器的功能，本振頻率降為工作頻率(基波頻率)的1/2進(jìn)行混頻，方案如圖3所示。

采用諧波主要是因?yàn)榛ɑ祛l需產(chǎn)生一個(gè)Ka頻段本振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)難度大，成本高，而采用諧波混頻形式，可降低對(duì)本振頻率的要求，簡(jiǎn)化頻率綜合器的設(shè)計(jì)?；祛l器采用反向?qū)拥男ぬ鼗O管對(duì)實(shí)現(xiàn)。

圖3 Ka頻段直接調(diào)制器

二極管的I-V特性關(guān)系為

式中，IS為二極管的反向飽和電流；α＝q/n k T，q為電子電量，n為二極管的理想因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

二極管對(duì)的電流為

將i(t)對(duì)電壓v求導(dǎo)數(shù)，得到電導(dǎo)g(t)如下

當(dāng)大信號(hào)載波V＝VLOcosωLOt和低電平基帶信號(hào)VIF＝VScosωSt作用于二極管對(duì)時(shí)，利用n階貝塞爾函數(shù)公式對(duì)i(t)、g(t)進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開，得到混頻電流i(t)如下

混頻電流中只有本振偶次諧波與基帶的組合頻率分量，如2ωLO+ωS、4ωLO+ωS等，實(shí)現(xiàn)了諧波混頻。此時(shí)二極管對(duì)的電流i(t)傅立葉展開式中不含載波頻率的偶次分量，即消去載波信號(hào)的所有偶次諧波，有利于提高對(duì)本振泄漏的抑制。

本方案中實(shí)現(xiàn)I、Q兩路相位偏移90°是在混頻后的射頻端，即采用了90°合路電橋。未在載波支路移相主要是因?yàn)?，采用二次諧波混頻，I、Q兩路載波相位需偏差45°，為此一般采用微帶傳輸線移相，而移相器的精度直接影響調(diào)制器的性能，這給設(shè)計(jì)頻率帶寬和調(diào)試帶來(lái)了較大的麻煩，不利于工程實(shí)現(xiàn)。

載波信號(hào)經(jīng)本振驅(qū)動(dòng)功率放大器后由同相功分器一分為二，兩路相位一致，分別送至I、Q路混頻器的本振端口。

同相和正交支路混頻器的變頻損耗、相移特性應(yīng)一致，90°合路電橋應(yīng)具有較好的幅度平衡性和較高的相位精度，各端口應(yīng)匹配良好，從而有利于減小矢量誤差，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)制器。

3 測(cè)試結(jié)果

基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用，對(duì)圖3設(shè)計(jì)方案制作的Ka頻段直接調(diào)制器進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，測(cè)試條件為450Mb/s、1.2Gb/s速率QPSK調(diào)制方式和600Mb/s、1.5Gb/s速率8PSK調(diào)制方式。測(cè)試時(shí)采用內(nèi)部數(shù)據(jù)源模擬串并轉(zhuǎn)換后的原始信息，經(jīng)過(guò)符號(hào)映射、I/Q分路后送入Ka頻段調(diào)制器完成調(diào)制，用矢量信號(hào)分析儀對(duì)實(shí)際調(diào)制信號(hào)的星座圖和性能指標(biāo)進(jìn)行分析，如圖4～圖7所示。各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 Ka頻段已調(diào)信號(hào)450Mb/s速率QPSK星座圖

圖5 Ka頻段已調(diào)信號(hào)1.2Gb/s速率QPSK星座圖

圖6 Ka頻段已調(diào)信號(hào)600Mb/s速率8PSK星座圖

圖7 Ka頻段已調(diào)信號(hào)1.5Gb/s速率8PSK星座圖

表1 調(diào)制指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于諧波混頻方式的Ka頻段直接調(diào)制器，并進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該直接調(diào)制器性能良好，具備高可靠性、小體積、低功耗和低成本等特點(diǎn)，適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高數(shù)據(jù)傳輸能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]李白萍，吳冬梅.通信原理與技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2]Lin Weiheng，ChangWeilun，Tsai Jenghan，Huang Tianwei.A 30-60GHz CMOSSub-harmonic IQ De/Modulator for High Data-Rate Communication System Applications[C]//IEEE Radio and Wireless Symposium，2009.

[3]Matsushita K O，Bunsen K，Murakami R，Musa A，Sato T，Asada H.A 60GHz 16QAM/8PSK/QPSK/BPSK Direct-Conversion Transceiver for IEEE802.15.3c[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2011，46：2988～3004.

王冬冬 1982年生，碩士研究生，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院?，F(xiàn)工作于北京遙測(cè)技術(shù)研究所，工程師，從事星載微波毫米波電路設(shè)計(jì)工作。

劉德喜 研究員，研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞ㄏ到y(tǒng)。

何彩分 高級(jí)工程師，從事射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

沈 鵬 助理工程師，從事射頻電路設(shè)計(jì)工作。

A Ka-band Direct Modulator for Satellite Communication System Application

Wang Dongdong， Liu Dexi， He Caifen， Shen Peng

This paper analyzes the advantages of directmodulation technology，and expounds the theory and performance.A Ka-band direct modulator based on the harmonic mixer is designed and tested.Experimental results show that，the direct modulator's performance can meet the engineering requirements，and the modulator can be directly applied to the satellite communication system.

Ka-band； Directmodulation； I/Q mixer； QPSK modulation； 8PSK modulation

TN761.7

A

CN11-1780(2014)06-0024-05

總裝預(yù)研項(xiàng)目

2014-04-22 收修改稿日期：2014-06-16