黃 剛，陳昌明

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，成都 610225)

1 引言

隨著4G 網(wǎng)絡(luò)在全球大范圍的部署和使用，它在給人們帶來(lái)高速上網(wǎng)以及多業(yè)務(wù)服務(wù)的同時(shí)，其不足也開(kāi)始慢慢凸顯出來(lái)，主要體現(xiàn)在安全保密性、數(shù)據(jù)通信能力以及容量受限等方面。為了克服這些缺點(diǎn)，5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)悄然興起，它不僅能夠滿足諸如3D 電影、遠(yuǎn)程服務(wù)以及實(shí)時(shí)流的超高清內(nèi)容傳輸，而且其基于毫米波通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到峰值10 Gb/s，是目前通信網(wǎng)絡(luò)的10～100 倍。毫米波作為一種新的電磁頻譜資源［1－2］，由于其具有寬闊的信息帶、獨(dú)特的電磁波傳播特性、穿透能力強(qiáng)以及天線尺寸小、分辨率高和重量輕等優(yōu)勢(shì)，可以很好地應(yīng)用于5G 網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、無(wú)線通信以及交通工具防撞等領(lǐng)域。文獻(xiàn)［3］介紹了2013 年研發(fā)出的60 GHz、數(shù)據(jù)率2.5 Gb/s、基于π/2－QPSK 調(diào)制方式的收發(fā)芯片，文獻(xiàn)［4］介紹了研發(fā)出的中心頻率60 GHz、數(shù)據(jù)率2 Gb/s、相位噪聲－90 dBc/Hz@1 MHz、采用QPSK調(diào)制方式的寬帶通信系統(tǒng)，但上述基于集成電路的毫米波通信系統(tǒng)在調(diào)制方式［5］、數(shù)據(jù)速率和相位噪聲等指標(biāo)方面都可以進(jìn)一步改善?；诖?，本文以毫米波通信系統(tǒng)為背景，采用改進(jìn)型π/4－QPSK 調(diào)制方案，引入FPGA 控制，設(shè)計(jì)了一種高速率、低相噪可用于毫米波通信系統(tǒng)的QPSK 調(diào)制器。

2 系統(tǒng)指標(biāo)要求與方案設(shè)計(jì)

毫米波QPSK 調(diào)制器設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

(1)中心頻率:30 GHz;

(2)QPSK 數(shù)據(jù)速率:3 Gb/s;

(3)相位噪聲:≤－100 dBc/Hz@10 kHz，

≤－100 dBc/Hz@100 kHz;

(4)輸出功率:≥4 dBm。

通過(guò)對(duì)毫米波QPSK 調(diào)制器系統(tǒng)特性以及設(shè)計(jì)指標(biāo)的分析，對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行總體規(guī)劃，提出了如圖1 所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖。通過(guò)FPGA 生成偽碼發(fā)生器和控制單元，以Gold 碼為偽隨機(jī)序列輸出，控制DDS 單元AD9910 產(chǎn)生100 MHz QPSK 信號(hào)，然后對(duì)鎖相環(huán)(Phase－locked Loop，PLL)輸出信號(hào)倍頻，將7.5 GHz 微波信號(hào)搬移到毫米波頻段，通過(guò)調(diào)制實(shí)現(xiàn)中心頻率30 GHz的毫米波QPSK 信號(hào)輸出。系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 芯片選用Altera 公司的 Cyclone II EP2C35F672C6，主頻時(shí)鐘50 MHz;DDS 芯片使用ADI公司AD9910;鎖相環(huán)芯片為HMC704LP4E;毫米波倍頻器選用GaAs 工藝的單片微波集成電路芯片(MMIC)。

圖1 毫米波QPSK 調(diào)制器系統(tǒng)方案圖Fig.1 Block diagram of millimeter wave QPSK modulator

3 π/4－QPSK 調(diào)制及Gold 碼分析

3.1 π/4－QPSK 調(diào)制

由于QPSK 調(diào)制信號(hào)相鄰碼元最大相位跳變?yōu)椤?80°，會(huì)引起載波包絡(luò)起伏，使載波信號(hào)功率譜擴(kuò)展，在通過(guò)帶限或非線性信道時(shí)，其頻譜擴(kuò)散嚴(yán)重。為提高通信質(zhì)量，本文采用改進(jìn)的π/4－QPSK 調(diào)制［5］，信號(hào)星座圖設(shè)計(jì)如圖2 所示。其載波信號(hào)相位是前一碼元相位與當(dāng)前碼元相位增量之和，相位為π/4、3π/4、－3π/4、－π/4，相鄰碼元的最大相移為±135°，從而有利于接收端提取碼元同步。

圖2 π/4－QPSK 信號(hào)星座圖Fig.2 Constellations of π/4－QPSK signal

3.2 Gold 碼分析

為增強(qiáng)通信系統(tǒng)抗干擾性、安全保密性以及解決頻譜資源緊張等問(wèn)題，本文采用擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫米波通信系統(tǒng)調(diào)制器的設(shè)計(jì)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)使用基于m 序列優(yōu)選對(duì)的Gold 碼作為偽隨機(jī)編碼輸出，它由兩個(gè)長(zhǎng)度相同、速率一樣但碼字不同的m 序列優(yōu)選對(duì)模2 相加后得到。由文獻(xiàn)［6］可知，若任意兩條m 序列其互相關(guān)函數(shù)Rab(τ)滿足

式中，r 為移位寄存器級(jí)數(shù)，則稱(chēng)這兩條序列為m 序列優(yōu)選對(duì)。如果序列{a}和為長(zhǎng)N=2r－1 的m序列優(yōu)選對(duì)，把{a}序列設(shè)為參考序列，對(duì)序列進(jìn)行i 次移位，則可得到新的{bi}(i=0，1，…，N－1)序列，然后與{a}序列模2 加后即可得到Gold 序列，其長(zhǎng)度為N。

本文采用r=6 的兩條m 序列，其本原多項(xiàng)式分別為

圖3 Gold 碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Generator of Gold code

將f1(x)本原多項(xiàng)式初始狀態(tài)設(shè)為111111，f2(x)本原多項(xiàng)式初始狀態(tài)設(shè)為000001，由此可得Gold 碼序列多項(xiàng)式為

采用Verilog HDL 語(yǔ)言編寫(xiě)Gold 碼發(fā)生器部分代碼如下:

基于Modelsim 的Gold 編碼仿真結(jié)果如圖4 所示，其輸出序列為0111111000101…，仿真結(jié)果與理論分析吻合。

圖4 Gold 編碼Modelsim 仿真結(jié)果Fig.4 Gold code result of Modelsim simulation

為保證DDS 輸出QPSK 調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率以及幅度不變，而相位按照Gold 編碼跳變，采用單音模式控制AD9910，相位跳變點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)為32個(gè)，其相應(yīng)的寄存器十六進(jìn)制參數(shù)值為

4 電路測(cè)試結(jié)果與分析

微波電路部分基板材料采用ROGERS 4350B(介電常數(shù)3.66，厚度0.508 mm)，為了滿足系統(tǒng)電磁兼容性以及可靠性要求，本文采用微波電路安裝在鋁腔體上層，下層安裝FPGA 控制板以及電源板。毫米波電路部分由于對(duì)周?chē)蓴_較敏感，采用單獨(dú)腔體設(shè)計(jì)，使用金絲鍵合工藝，7.5 GHz微波電路實(shí)物如圖5 所示。

圖5 7.5GHz 微波電路實(shí)物圖Fig.5 Microwave circuit at 7.5 GHz

圖6 為100 MHz DDS 輸出QPSK 參考信號(hào)測(cè)試結(jié)果，由此可知，在FPGA 控制下，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，示波器測(cè)得信號(hào)相位跳變?yōu)棣?4、3π/4、－ 3π/4、－π/4，圖中畫(huà)圈的相位跳變尖峰其意義在于保證了波形的連續(xù)性。

圖6 100 MHz QPSK 參考信號(hào)測(cè)試圖Fig.6 Measured result of QPSK reference signal at 100 MHz

圖7 為30 GHz毫米波輸出QPSK 調(diào)制信號(hào)頻譜圖測(cè)試結(jié)果，其中心頻率30 GHz，信號(hào)輸出功率大于4 dBm，數(shù)據(jù)率3 Gb/s，對(duì)旁瓣抑制較差，主要原因是信號(hào)通過(guò)了非線性系統(tǒng)以及倍頻后濾波器尺寸加工條件限制和電源干擾所引起，系統(tǒng)工作在毫米波頻段緩解了頻譜資源緊張，展寬了信號(hào)帶寬。

圖7 30 GHz 毫米波QPSK 調(diào)制信號(hào)(數(shù)據(jù)率3 Gb/s)測(cè)試圖Fig.7 Measured result of millimeter wave QPSK modulation signal at 30 GHz(data rate 3 Gb/s)

圖8 為30 GHz載波處相位噪聲測(cè)試結(jié)果，相位噪聲優(yōu)于－100 dBc/Hz@100 kHz，其中100 MHz信號(hào)測(cè)試儀器采用RIGOL DS 5102M 示波器，微波和毫米波部分測(cè)試儀器使用Agilent N9030A PXA 信號(hào)分析儀。

圖8 30 GHz 載波處相位噪聲測(cè)試圖Fig.8 Measured result of phase noise at 30 GHz

表1 給出了本文研究結(jié)果與部分文獻(xiàn)指標(biāo)的對(duì)比情況。

表1 本文與部分文獻(xiàn)研究指標(biāo)對(duì)比Table 1 Research index comparison between this papar and part references

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用改進(jìn)型π/4－QPSK 調(diào)制方式設(shè)計(jì)了一種可用于毫米波通信系統(tǒng)的QPSK 調(diào)制器，兼?zhèn)涓邤?shù)據(jù)率和優(yōu)異相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)運(yùn)行速度快、成本低、可靠性高，對(duì)其他毫米波通信系統(tǒng)QPSK 調(diào)制器的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。但是，由于系統(tǒng)中多次使用了放大電路以及器件和工藝條件的限制，使系統(tǒng)功耗和體積增加，不利于小型化和低功耗，因此進(jìn)一步深入研究本課題的重點(diǎn)在于降低系統(tǒng)功耗和體積。

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