寬帶正交調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張曉峰，張朋浩，侯永彬

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍66008部隊(duì)，天津 300250）

寬帶正交調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張曉峰1，張朋浩2，侯永彬1

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍66008部隊(duì)，天津 300250）

介紹了寬帶正交調(diào)制器的工作原理和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)正交性誤差對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量影響較大的問題，通過阻抗匹配、差分信號(hào)傳輸和接口電平功率控制等技術(shù)手段，對(duì)無源非線性器件的外圍電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。使調(diào)制信號(hào)的EVM值提高了7%以上，在大幅提升寬帶正交調(diào)制器的性能指標(biāo)的同時(shí)，擴(kuò)展了寬帶正交調(diào)制器對(duì)本振功率、基帶信號(hào)功率的適應(yīng)范圍。

寬帶；正交調(diào)制；衛(wèi)星通信

0 引言

隨著人們對(duì)信息需求成幾何倍數(shù)的增長，信息傳輸系統(tǒng)的帶寬也在相應(yīng)提高。寬帶衛(wèi)星通信等無線高速數(shù)據(jù)傳輸方式，是人們進(jìn)行大數(shù)據(jù)量信息交互的方式之一，其傳輸帶寬已經(jīng)超過了200 MHz［1］。在寬帶衛(wèi)星通信中，大多采用QPSK等數(shù)字調(diào)制方式，寬帶正交調(diào)制技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一［2］。中頻輸出帶寬為200 MHz的正交調(diào)制器的技術(shù)指標(biāo)要求為：中心頻率為1.2 GHz，基帶信號(hào)1 dB帶寬為100 MHz，正交相位不平衡優(yōu)于±2°，幅度不平衡優(yōu)于1 dB［3］。

正交調(diào)制器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是利用非線性電路實(shí)現(xiàn)2個(gè)信號(hào)的正交混頻，這種方案容易引起較大的信號(hào)正交誤差，使衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)的誤碼率性能下降，影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。

本文通過對(duì)非線性電路在延時(shí)控制、功率控制和PCB信號(hào)傳輸方式等方面的改進(jìn)和創(chuàng)新，使正交調(diào)制器獲得較好的正交性能，并擴(kuò)大對(duì)輸入信號(hào)功率的適應(yīng)范圍，從而提高整個(gè)調(diào)制信號(hào)質(zhì)量。

1 寬帶正交調(diào)制器工作原理

寬帶正交調(diào)制器的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜由基帶向頻帶的搬移，即I路和Q路基帶符號(hào)攜帶信息，通過非線性電路實(shí)現(xiàn)對(duì)本振信號(hào)相位和幅度的正交調(diào)制。正交調(diào)制功能的原理如圖1所示［4］。

設(shè)中頻輸出信號(hào)為f（t），I路和Q路基帶信號(hào)分別為i（t）和q（t），則正交調(diào)制的數(shù)學(xué)表達(dá)式為［5］：

式中，基帶信號(hào)分別以50%的概率輸出1或－1。

圖1 微波調(diào)制器原理

2 技術(shù)指標(biāo)分析

正交調(diào)制器的主要技術(shù)指標(biāo)為正交特性，即相位不平衡性和幅度不平衡性［6］。

相位不平衡性是由I路和Q路信號(hào)非線性電路的個(gè)體差異和信號(hào)傳輸時(shí)延的差異，導(dǎo)致正交調(diào)制后輸出信號(hào)正交通道和同相通道的載波沒有嚴(yán)格正交。

幅度不平衡度是指由于非線性電路的個(gè)體差異造成的同相通道和正交通道之間的增益不同。

相位不平衡和幅度不平衡表現(xiàn)為調(diào)制信號(hào)的調(diào)制域相點(diǎn)發(fā)生畸變。以QPSK信號(hào)為例，理想的相點(diǎn)為正方形，正交特性不理想的調(diào)制信號(hào)的相點(diǎn)畸變?yōu)殚L方形或菱形。

經(jīng)過仿真，在誤碼率為1×10－7時(shí)，在不考慮信號(hào)均衡的情況下，QPSK體制信號(hào)的正交特性對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能影響如表1所示［7］。

表1 IQ不平衡對(duì)誤碼率性能的影響

從表1可以看出，當(dāng)幅度不平衡為1 dB、相位不平衡4°的情況下，Eb／N0損耗達(dá)到了1.8 dB?？梢?，進(jìn)行正交調(diào)制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提高相位不平衡和幅度不平衡的指標(biāo)。

3 傳統(tǒng)技術(shù)方案

正交調(diào)制器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，即直接利用二極管非線性電路，在基帶信號(hào)輸入端口和本振信號(hào)輸入端口，加入π形衰減，以調(diào)節(jié)信號(hào)功率［8］。微波調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2 微波調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電路

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)如下［9］：

①基帶信號(hào)和本振信號(hào)的功率控制精度不夠，不足以滿足二極管非線性電路補(bǔ)償要求；

②缺少時(shí)延控制元件，無法對(duì)相位不平衡度進(jìn)行補(bǔ)償；

③信號(hào)輸入采用單端形式，無法抑制共模噪聲。

4 改進(jìn)的技術(shù)方案

改進(jìn)的技術(shù)方案是：采用無源的正交混頻器件作為核心功能模塊，外圍電路輔助功率調(diào)整器件和時(shí)延控制電路來降低正交不平衡性。電路實(shí)現(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 微波調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電路

此方案中，本振和基帶信號(hào)輸入電路都加入了AGC器件，這種器件可以把輸入信號(hào)在－5～＋5 dBm的功率調(diào)整到7 dBm；基帶信號(hào)再通過電調(diào)衰減器進(jìn)行步進(jìn)為0.2 dB的功率調(diào)整，以減小幅度不平衡。

相位不平衡的本質(zhì)是I路和Q路信號(hào)的時(shí)延誤差，因此可以通過控制基帶信號(hào)的時(shí)延來降低相位不平衡［10］。本方案中，在基帶信號(hào)的輸入加入了時(shí)延控制電路。時(shí)延控制電路是采用調(diào)整DA采樣鐘的輸出相位實(shí)現(xiàn)的。調(diào)整精度為1個(gè)采樣周期的1／90，采用4倍采樣的情況下，調(diào)整精度可以達(dá)到每個(gè)符號(hào)周期的1／360。

除了在本振和基帶信號(hào)端加入功率或時(shí)延的控制元件外，在中頻輸出端加入了帶寬濾波器，用于濾除調(diào)制信號(hào)的諧波；在I／Q的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)中，保證混頻器、正交功分器及同相功率合成器各端口匹配良好，駐波小并有足夠的隔離度；在應(yīng)用中，保證I、Q端口從直流至3倍于載波頻率的頻帶內(nèi)匹配良好，在緊靠端口位置插入3～6 dB的電阻衰減器；各端口采用差分模式有利于減小矢量誤差，并抑制共模噪聲。

5 測試結(jié)果分析

寬帶正交調(diào)制器設(shè)計(jì)加工完成后，利用測試儀器對(duì)其進(jìn)行功能性能測試。主要的測試儀器有任意波形發(fā)射器AWG7112B和寬帶示波器ISO90404A等。正交調(diào)制器測試連接圖如圖4所示［11］。

圖4 正交調(diào)制器測試

任意波形發(fā)射器AWG7112B輸出符號(hào)速率200 M符號(hào)／s的調(diào)制基帶信號(hào)，調(diào)制方式為QPSK，基帶信號(hào)的幅度為0.5 V。

通過測試，在經(jīng)過幅度和相位補(bǔ)償后，該功能模塊的相位不平衡度為由6.29°優(yōu)化到1.8°，幅度不平衡為由0.45 dB（5.2%）優(yōu)化到0.21 dB（3.3%），QPSK體制的調(diào)制信號(hào)的EVM值由12.0%優(yōu)化到4.65%。

根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真結(jié)果，正交調(diào)制功能模塊帶來的誤碼率性能損失低于0.4 dB。符合設(shè)計(jì)要求。

由測試結(jié)果可以看出，優(yōu)化前后的相位不平衡差別加大，幅度不平衡指標(biāo)提升有限，這是因?yàn)樵谖磧?yōu)化前的IQ正交調(diào)制器本身的幅度不平衡度指標(biāo)相對(duì)相位不平衡較好［12］。

6 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)的帶寬越來越寬，正交調(diào)制器的設(shè)計(jì)難度也越來越大。從對(duì)非線性二極管、移相器等無源器件的篩選到對(duì)器件特性進(jìn)行功率和時(shí)延的補(bǔ)償，是該項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)的進(jìn)步。進(jìn)行補(bǔ)償后的正交調(diào)制器，輸出的調(diào)制信號(hào)正交性誤差大幅減小，QPSK信號(hào)的相當(dāng)在調(diào)制空間接近理論分布，EVM值為4.65%。試驗(yàn)表明，這項(xiàng)技術(shù)有效提升了寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的誤碼率性能，并為進(jìn)一步擴(kuò)展衛(wèi)星通信系統(tǒng)的帶寬提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

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Design and Implementation of Broadband Quadrature Modulator

ZHANG Xiao-feng1，ZHANG Peng-hao2，HOU Yong-bin1
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Unit 66008，PLA，Tianjin 300250，China）

This paper introduces the operating principle and traditional design methods of broadband quadrature modulator.In the broadband satellite communication system，the orthogonality deviation will influence significantly the transmission quality of modulation signals.In order to solve this problem，by using such technical methods as impedance matching，differential signal transmission，and in-terface level power control，this paper puts forward the optimization design scheme for peripheral circuit of passive nonlinearity devices. As a result，the EMV value of modulation signal is increased more than 7%，the performance index of broadband quadrature modulator is improve significantly，and the application range of broadband quadrature modulator on local oscillator power and baseband signal power is extended.

broadband；quadrature modulation；satellite communication

TN76

A

1003－3106（2015）10－0071－03

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.19

張曉峰，張朋浩，侯永彬.寬帶正交調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無線電工程，2015，45（10）：71－73.

張曉峰男，（1976—），工程師。主要研究方向：通信對(duì)抗工程。

2015-07-07

張朋浩男，（1978—），工程師。主要研究方向：通信技術(shù)。