摘 要:通信事業(yè)的發(fā)展使得頻率低端無線頻譜已十分擁擠，同時(shí)對(duì)大容量、遠(yuǎn)距離、高可靠性提出較高要求，毫米波以其頻段寬、空間分辨率高、干擾和截獲概率低等特點(diǎn)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在研究毫米波發(fā)射機(jī)原理的基礎(chǔ)上提出一種采用兩次變頻法的上變頻設(shè)計(jì)方案，將中頻70 MHz上變頻至31 GHz，并利用FPGA完成了基帶數(shù)字信號(hào)處理，控制 AD9857實(shí)現(xiàn)了中頻調(diào)制設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:毫米波; 上變頻; FPGA; AD9857

中圖分類號(hào):TN915-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0042-03

IF Modulation of Millimeter-wave Transmitter

MA Ming-xiao， WANG Hao， LI Zhi-jun

(Heilongjiang Institute of Science and Technology， Harbin 150027， China)

Abstract: The millimeter-wave with characteristics of wide band， high spatial resolution， low interference and interception probability are applied to various fields since the development of communication. A design scheme of up converter with two frequency method based on the principle of millimeter-wave transmitter is proposed， IF of 70MHz is up conversion to 31GHz， and the FPGA is used to complete the base-band digital signal processing， the AD9857 is controlled to design the IF modulation.

Keywords: millimeter-wave; up conversion; FPGA; AD9857

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)[1-3]?；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EP1C12F324完成基帶數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9857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[4]。發(fā)射機(jī)的變頻方案可分為兩種[5]: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 毫米波發(fā)射端設(shè)計(jì)方案

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 GHz，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)[6-8]:

(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HSP50215，GC4114和AD9857[9-11]三種芯片的性能比較。

集成DAC否否14位DAC

在比較了3種芯片的雜散性能和頻率分辨率等性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，可得出 AD9857的工作頻率最高，由于集成的高速直接數(shù)字合成器輸出頻率要小于系統(tǒng)時(shí)鐘的43%，因此輸出頻率范圍最大。此外AD9857內(nèi)部的14位高性能高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，可提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定度。綜上所述，本文采用AD9857實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)數(shù)字上變頻。

4 中頻調(diào)制設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用基于DDS技術(shù)的正交上變頻器AD9857與FPGA相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)70 MHz中頻的QDPSK調(diào)制。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 中頻調(diào)制設(shè)計(jì)框圖

由圖2可知，基于EP1C12F324的FPGA主要實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理、FPGA與AD9857的串口通信、FPGA與AD9857的并口通信和時(shí)鐘控制設(shè)計(jì)。

信源首先經(jīng)串并轉(zhuǎn)換將輸入的單路串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙路并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率減半，再經(jīng)過“差分編碼”轉(zhuǎn)換為相對(duì)碼，通過并口送入AD9857進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相。在FPGA與AD9857串口通信中，當(dāng)CS為低電平時(shí)，開啟AD9857的串口，F(xiàn)PGA通過SDIO將控制字發(fā)送給AD9857，設(shè)置AD9857的工作方式，當(dāng)CS為高電平時(shí)，關(guān)閉AD9857的串口，串口通信仿真如圖3所示。在FPGA與AD9857的并口通信中，當(dāng)TXENABLE為高電平時(shí)，通過PDCLK讀取FPGA中的14位并行數(shù)據(jù)送入AD9857，當(dāng)TXENABLE為低電平時(shí)，關(guān)閉AD9857的并口，并口通信仿真如圖4所示。

圖3 串口通信仿真

圖4 并口通信仿真

圖3 串口通信仿真

圖4 并口通信仿真

40 MHz晶振為EP1C12F324提供系統(tǒng)時(shí)鐘;經(jīng)FPGA八分頻后通過SCLK送入AD9857中，作為串口通信時(shí)鐘;經(jīng)AD9857內(nèi)部PLL倍頻器五倍頻后，作為AD9857的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘。

AD9857工作在正交調(diào)制模式，14位并行I/Q數(shù)據(jù)分成兩路交替輸入，經(jīng)過CIC濾波器，可編程內(nèi)插器后送入正交調(diào)制器。DDS核產(chǎn)生正交本振信號(hào)到正交調(diào)制器，分別與I/O信號(hào)相乘后相加或相減，產(chǎn)生正交調(diào)制信號(hào)。最后通過14位DAC轉(zhuǎn)變?yōu)檎徽{(diào)制的模擬信號(hào)輸出。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用AD9857和FPGA相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了中頻調(diào)制，由于AD9857采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，消除了由模擬調(diào)制所引起的相位、增益的失衡和交調(diào)失真。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。同時(shí)提出了一種采用兩次變頻的上變頻方案，此方案降低了毫米波濾波器的設(shè)計(jì)難度，減弱了功率放大后的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)泄漏對(duì)發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)造成的影響。

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