毫米波發(fā)射端中頻調(diào)制的實(shí)現(xiàn)

0 引言
隨著通信事業(yè)的發(fā)展，信息傳輸量日益增加，無論公用通信網(wǎng)還是專用通信網(wǎng)，通信的業(yè)務(wù)量都在迅猛增長(zhǎng)，紅外和光系統(tǒng)已出現(xiàn)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(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)得到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
毫米波波長(zhǎng)短，其設(shè)備體積小、重量輕、耗電小、機(jī)動(dòng)性好，在同樣口徑天線下，短波長(zhǎng)的毫米波能實(shí)現(xiàn)窄波束、低副瓣，因而在目標(biāo)跟蹤和識(shí)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(tǒng)的隱蔽性和抗干擾能力。可通過構(gòu)建基于軟件無線電原理的毫米波通用硬件平臺(tái)將其系統(tǒng)化，而基于軟件無線電原理的毫米波硬件平臺(tái)，要求系統(tǒng)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(xiàn)該硬件平臺(tái)的開放性、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和可編程化。數(shù)字上變頻和下變頻技術(shù)是構(gòu)建毫米波通用硬件平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)。基于此，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(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9-857的控制，在數(shù)字域完成基帶數(shù)字信號(hào)的內(nèi)插濾波、正交調(diào)制、D／A變換等功能，實(shí)現(xiàn)70 MHz中頻載波上的QDPSK調(diào)制。

1 毫米波發(fā)射機(jī)
發(fā)射機(jī)是毫米波通信設(shè)備中的重要組成部分，其作用是將已調(diào)波經(jīng)過變頻、放大、濾波等處理后，輸送給天饋系統(tǒng)，發(fā)向通信對(duì)方或轉(zhuǎn)發(fā)中繼站。發(fā)射機(jī)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(diào)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(diào)制和上變頻分開，先在較低的中頻上進(jìn)行調(diào)制，然后將已調(diào)信號(hào)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(yuǎn)高于所需的信號(hào)，對(duì)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(duì)載波適應(yīng)性強(qiáng)，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程中產(chǎn)生的諧波、交調(diào)分量，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。本方案采用兩步變換法，又由于系統(tǒng)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(shè)計(jì)要將70 MHz的信號(hào)上變頻到31 GHz輸出，考慮到經(jīng)過功率放大后的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)泄漏對(duì)發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)將造成影響，并且此時(shí)采用濾波器來提取輸出信號(hào)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(hào)調(diào)制后上變頻到毫米波頻段。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1中，基帶信號(hào)經(jīng)中頻調(diào)制后得到70 MHz的中頻信號(hào)，中頻信號(hào)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(bǔ)償倍頻損耗。對(duì)于第一本振為獲得較高的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲指標(biāo)和頻率分辨率，可采用混頻鎖相法設(shè)計(jì)。對(duì)于第二本振，由于其頻率達(dá)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(xiàn)。

2 中頻調(diào)制方式選擇
毫米波信道一般為非線性信道。主要是以數(shù)字恒包絡(luò)調(diào)制為主，非恒包絡(luò)調(diào)制信號(hào)或多載波信號(hào)經(jīng)過毫米波非線性信道時(shí)，將導(dǎo)致頻譜擴(kuò)展或產(chǎn)生交調(diào)失真信號(hào)。帶內(nèi)失真分量會(huì)干擾調(diào)制信號(hào)，產(chǎn)生矢量偏差，影響調(diào)制精度，使接收解調(diào)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(yīng)采用相干解調(diào)技術(shù)。因此在選擇適合毫米波通信信道的調(diào)制方式時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：
(1)要注意它與系統(tǒng)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(diào)制方式，同時(shí)要考慮其頻帶的利用率；
(2)要考慮其在非線性信道上性能的惡化量，要盡量使用恒包絡(luò)調(diào)制方式；
(3)要分析其抗衰落的性能并考慮采用適當(dāng)?shù)拇胧┯枰匝a(bǔ)償。
數(shù)字通信系統(tǒng)中主要有ASK，F(xiàn)SK和PSK三種基本的調(diào)制方式，對(duì)目前常用的調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行性能比較，可得出，在調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)方面，2PSK／2DPSK設(shè)備簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強(qiáng)，但頻譜利用率不高。2FSK設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強(qiáng)，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(shè)備復(fù)雜程度只有少許增加，對(duì)衰落信道的適應(yīng)能力適中，對(duì)信道的線性指標(biāo)要求也不太高。8PSK與4PSK／4DPSK相比，具有更高的頻率利用率，但設(shè)備復(fù)雜程度有所增加，對(duì)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(tǒng)的性能雖然優(yōu)于DPSK系統(tǒng)，可它容易出現(xiàn)“相位模糊”。從系統(tǒng)的頻帶利用率來看，PSK和ASK比FSK占據(jù)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看，PSK是所有二進(jìn)制鍵控方式中最優(yōu)的一種。
通過以上分析，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(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，因此本設(shè)計(jì)選用QDPSK調(diào)制方式。

3 數(shù)字正交上變頻器選擇
數(shù)字上變頻器主要是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行各種調(diào)制和頻率變換，即在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和混頻。表1給出了具有代表性的數(shù)字上變頻器HSP-50215，GC4114和AD9857三種芯片的性能比較。