趙宇鑫，王 樂，齊建中

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

遙測遙控系統(tǒng)是航空航天的重要分系統(tǒng)之一，包括遙測、遙控、外測分系統(tǒng)，主要實現(xiàn)遙測參數(shù)傳送、外彈道測量、試驗級落點實時預(yù)測等功能，并通過為用戶提供圖像及試驗數(shù)據(jù)、遙控指令傳送服務(wù)[1]。其中遙測部分是所有系統(tǒng)的基礎(chǔ)，完成數(shù)據(jù)信號的采集、加密、編碼和傳輸?shù)攘鞒?，而其中信號傳輸更是重中之重。隨著遙測通信技術(shù)的發(fā)展以及器件制作工藝水平的提高，遙測發(fā)射機朝著占用帶寬小、傳輸速率高、結(jié)構(gòu)簡單、功能多樣、可拓展性強的方向發(fā)展，強調(diào)采用最少的器件，以最簡單的硬件為通用平臺，實現(xiàn)帶寬的最大化利用，并且盡可能通過軟件控制實現(xiàn)發(fā)射機多樣化的功能。根據(jù)這一發(fā)展方向，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種正交上變頻體制、CPM調(diào)制方式的發(fā)射機，采用正交上變頻體制可以有效地簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間。CPM調(diào)制方式具有恒包絡(luò)、頻譜利用率高、主瓣外衰減快、帶外功率比小和相鄰信道干擾弱等優(yōu)點。鑒于以上優(yōu)點，近年來CPM技術(shù)在遙測領(lǐng)域逐漸得到了應(yīng)用。本文研制的發(fā)射機相較于傳統(tǒng)的超外差體制FM發(fā)射機，體積減小30%，成本大幅度降低。新型CPM調(diào)制體制較PCM/FM體制頻帶利用率更高，通過增加M元序列符號、減小調(diào)制指數(shù)以及選擇平滑的脈沖調(diào)制指數(shù)，與傳統(tǒng)發(fā)射機相比，可以實現(xiàn)功率譜密度窄約50%。

1 零中頻發(fā)射機結(jié)構(gòu)分析

目前比較常用的發(fā)射機結(jié)構(gòu)包括：超外差發(fā)射機、數(shù)字中頻發(fā)射機和零中頻發(fā)射機。超外差體系結(jié)構(gòu)被認為是最可靠的接收機拓撲結(jié)構(gòu)，通過適當?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈敏度[1]。現(xiàn)今我國遙測遙控發(fā)射機體系廣泛使用超外差體制，其發(fā)射機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 超外差體制發(fā)射機結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的超外差體制，考慮到實現(xiàn)流程復(fù)雜，使用模擬分離元件較多，鏈路占用體積大，無法滿足產(chǎn)品小型化的需求；且超外差體制使用多級聲表濾波器、介質(zhì)濾波器，產(chǎn)品成本難以控制。結(jié)合這些原因，超外差體制已經(jīng)越來越不適應(yīng)現(xiàn)今的環(huán)境。

由于軟件無線電技術(shù)的迅速發(fā)展，改進型的發(fā)射機多采用FPGA進行數(shù)字變頻以取代模擬基帶部分完成數(shù)字上變頻，可以依據(jù)輸入信號不同速率調(diào)節(jié)頻偏、濾波器帶寬等參數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品的可拓展性。數(shù)字中頻的方式相比于傳統(tǒng)的超外差體制進行了優(yōu)化。由于FPGA的加入，極大地增加了設(shè)備的可拓展性，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的問題依然存在[2]。隨著半導(dǎo)體工藝的進步，正交調(diào)制直接上變頻這一技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，零中頻體制是對超外差體制的改進，采用直接變頻的方式，可省去模擬中頻部分，進一步簡化設(shè)計。零中頻發(fā)射機的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 零中頻體制發(fā)射機結(jié)構(gòu)

零中頻體制的發(fā)射機，數(shù)字基帶部分輸出的I/Q兩路調(diào)制信號經(jīng)過DAC器件轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后經(jīng)由低通濾波器濾波，濾除信號高頻諧波；輸出信號分別與2路90°相位差的本振信號混頻，而后疊加，轉(zhuǎn)換成模擬射頻信號輸出，實現(xiàn)頻譜的搬移。該方式具有如下優(yōu)點：

① 系統(tǒng)流程簡單，復(fù)雜度低，集成電路中易于實現(xiàn)；

② 一次變頻，不存在中頻，無需考慮鏡像頻率濾除，減少對濾波器的需求，削減成本；

③ 信號為零中頻信號，占用帶寬僅為已調(diào)信號的一半，這意味著接收機的噪聲通帶比常規(guī)的外差接收機少一半，使接收門限電平改善3 dB[3]。

綜合考慮上述因素，本設(shè)計采用零中頻體制進行設(shè)計。

2 發(fā)射機軟硬件設(shè)計

基于FPGA零中頻發(fā)射機的硬件整體框架主要可分為3部分：數(shù)字基帶模塊、模擬基帶模塊和模擬射頻模塊。數(shù)字基帶模塊主要實現(xiàn)將外部輸入的Rs422數(shù)據(jù)進行數(shù)字調(diào)制，經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬調(diào)制信號，再通過低通濾波器，濾除高次諧波，最終將模擬調(diào)制基帶信號送進正交調(diào)制器件與本振信號混合完成上變頻；射頻模塊主要由射頻放大器及介質(zhì)濾波器構(gòu)成，以此來完成對射頻信號的放大和濾波。

2.1 數(shù)字基帶模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字基帶部分主要是完成信號的調(diào)制，將接收到的數(shù)據(jù)進行CPM數(shù)字調(diào)制，輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器后輸出[4]。

2.1.1 基帶部分硬件實現(xiàn)

輸入的Rs422信號經(jīng)過半雙工Rs-422收發(fā)器MAX3062EEKA，將輸入差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，接下來經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A將信號轉(zhuǎn)換為FPGA對應(yīng)I/O管腳所需電平標準，輸入信號包括數(shù)據(jù)信號和與其對應(yīng)的時鐘信號2路。

FPGA 作為發(fā)射機的核心處理器，采用Xilinx公司的XC4VSX35-10FFG668I硬件平臺，實現(xiàn)CPM調(diào)制功能。Virtex 系列FPGA屬于Xilinx公司的高端產(chǎn)品，該系列FPGA具有豐富的可用資源，如可編程輸入輸出單元(IOB)、可配置邏輯塊(CLB)和數(shù)字時鐘管理單元(DCM)等。其配置是通過被用作不同模式接口的特定引腳將程序中的比特流加載到內(nèi)部存儲器。由于Xilinx公司FPGA內(nèi)部不具有存儲功能，因此必須在重加電過程中加載外部存儲器中的程序來完成。Virtex-4系列FPGA可以對特定引腳M2，M1，M0外部電路做上下拉處理，以此設(shè)置適當電平來完成FPGA工作模式的選擇。這里選用主串模式，對應(yīng)的FPGA配置引腳M2，M1，M0均設(shè)置為低電平，CCLK管腳作為輸出使用，為程序存儲單元提供讀取存儲數(shù)據(jù)的時鐘，完成上電代碼的加載流程[5]。

2.1.2 Multi-h CPM調(diào)制的軟件實現(xiàn)

Multi-h CPM調(diào)制信號的表達式為：

(1)

式中，ai為四進制碼元，每2個比特輸入數(shù)據(jù)bkbk+1映射為一個符號ai，規(guī)則如表1所示；T為符號周期，是數(shù)據(jù)周期的2倍；hi為一組調(diào)制指數(shù)，包含h1=4/16和h2=4/16兩個調(diào)制指數(shù)，h1和h2以符號周期為單位交替出現(xiàn)；q(t)為相位脈沖，表達式為[6]：

(2)

式中，g(t)為頻率脈沖函數(shù)，根據(jù)IRIG—106—15標準[7-8]，

(3)

映射關(guān)系如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)映射規(guī)則

bkbk+1ai11+310+101-100-3

可以推導(dǎo)出，當L=3時，φ(t，a)如式(4)所示[9]：

nT

(4)

對一個符號進行M倍采樣，假設(shè)第n個符號的調(diào)制指數(shù)對應(yīng)為h1，那么第n個符號的第m個采樣點的相位如式(5)所示[10-11]：

(5)

利用數(shù)字電路實現(xiàn)Multi-h CPM調(diào)制的框圖[12-13]如圖3所示。

圖3 Multi-h CPM調(diào)制電路

2.2 基帶模塊模擬電路的設(shè)計與實現(xiàn)

基帶模塊的模擬電路主要實現(xiàn)將基帶模擬調(diào)制信號進行處理，與本振信號混合，完成正交上變頻的工作[14]。

首先將零中頻的調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波器濾除高次諧波，低通濾波器使用ADS軟件進行仿真設(shè)計，選擇使用七階切比雪夫濾波器[15]，通帶截止頻率設(shè)置為0.85倍碼速率，通帶最大衰減系數(shù)設(shè)置為1 dB，阻帶截止頻率設(shè)置為3倍碼速率，阻帶最小衰減系數(shù)設(shè)置為25 dB。通過以上參數(shù)確定低通濾波器硬件電路。實際設(shè)計濾波器為12 MHz帶寬的濾波器，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于1 dB，帶外抑制在60 MHz頻率處為48 dBc，滿足帶外抑制要求[16]。

經(jīng)過低通濾波器的I/Q兩路信號給到模擬正交調(diào)制器(AQM)中，將復(fù)合I+j×Q基帶信號轉(zhuǎn)換為射頻(RF)。AQM內(nèi)含1個本機振蕩器(LO)輸入、1個90°相位差的分相器、2個混頻器(每個混頻器將基帶信號混頻為射頻)以及1個加法器[17-18]。

本振部分采用的是ADF4360系列芯片，外圍電路依照芯片手冊設(shè)計，該芯片需要自行設(shè)計的部分是環(huán)路濾波器(LPF)，鎖相環(huán)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，環(huán)路濾波器決定了鎖相環(huán)(PLL)的性能，起到了維持環(huán)路的穩(wěn)定性、控制帶內(nèi)外噪聲與雜散、防止VCO調(diào)諧電壓突變的作用。在本文設(shè)計中，環(huán)路濾波器用的是無源濾波器，ADI公司為其芯片提供ADIsimPLL軟件，該軟件可以對環(huán)路濾波器進行設(shè)計和仿真，極大地簡化了設(shè)計[19]。軟件設(shè)計流程：首先需要選擇使用的器件，然后進入?yún)?shù)設(shè)置部分，需要設(shè)置的參數(shù)有工作頻率范圍、鑒相頻率、環(huán)路濾波器電路選擇、參考晶振頻率以及環(huán)路帶寬，設(shè)計選用三階環(huán)路濾波器[20-21]。

本振信號與基帶信號共同給到正交調(diào)制器中，輸出結(jié)果即為中心頻率為本振設(shè)置頻點的調(diào)制信號，至此就完成了射頻基帶部分的工作。

2.3 射頻模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

該模塊主要實現(xiàn)將射頻基帶部分輸出的射頻信號進行放大、濾波，然后輸出[22]。

信號放大部分使用ABA32563芯片，其主要電氣性能指標如表2 所示。

表2 射頻放大器ABA32563電氣性能指標

參數(shù)最小值典型值最大值工作頻率/GHz02.5增益/dB181920輸入回波損耗/dB-21輸出回波損耗/dB-20P1dB/dBm8.4OIP3/dBm19.5噪聲系數(shù)/dB3.5

ABA32563器件封裝小、外圍電路簡單，可有效節(jié)省印制板空間，優(yōu)化發(fā)射機布局方案，提高空間利用率。為防止超過壓縮點，需對增益大小進行合理分配。由于實際輸出信號強度和理論值有一定偏差，在每一級放大器的前端和后端均設(shè)計了一個π型衰減器，用于調(diào)整射頻鏈路的增益并改善輸入輸出阻抗匹配[23]；

介質(zhì)濾波器采用定制的器件，抑制帶外信號，防止帶外信號過強干擾接收設(shè)備。輸出的信號經(jīng)過SMA接插件連接功放，經(jīng)天線發(fā)射出去，就完成了整個發(fā)射機鏈路的設(shè)計。

3 樣機技術(shù)指標測試

依據(jù)選擇的器件和設(shè)計指標，按照PCB布局布線等要求，設(shè)計并實現(xiàn)了零中頻發(fā)射機的實物，如圖4所示。

圖4 零中頻發(fā)射機工程樣機實物

先進體制數(shù)字遙測發(fā)射機設(shè)計與仿真完成后，需要對樣機各項指標進行測試，并針對實際測試結(jié)果進行分析和調(diào)試，測試儀器主要使用的ROHDE&SCHWARZ公司的矢量信號發(fā)生器SMJ100A以及Agilent 公司生產(chǎn)的信號分析儀N9020A MXA進行測試。

通過矢量信號發(fā)生器輸出10 MHz碼速率的Rs422偽隨機碼數(shù)據(jù)、時鐘信號，給到板卡輸入端，經(jīng)過調(diào)制后的信號輸出通過射頻同軸線接到信號分析儀上，測試輸出信號的頻譜、帶內(nèi)雜波等參數(shù)指標，測試結(jié)果如圖5所示。

測試結(jié)果表明，所研制的零中頻發(fā)射機能實現(xiàn)對編碼信號的調(diào)制、上變頻、放大，輸出結(jié)果可以被接收機準確無誤的接收到，雜波抑制度在±2Rs(碼速率)、±2.5Rs處優(yōu)于50 dBc，滿足要求；且設(shè)備無帶外雜波，不會對其他頻段造成干擾。

圖5 Multi-h CPM調(diào)制信號頻譜測試結(jié)果

4 結(jié)束語

提出了一種Multi-h CPM調(diào)制體制的零中頻發(fā)射機設(shè)計方案，并由此完成了發(fā)射機的設(shè)計和實現(xiàn)。經(jīng)過多次測試，該發(fā)射機設(shè)計正確無誤，能夠達到預(yù)期的性能指標。本文設(shè)計的Multi-h CPM調(diào)制體制零中頻發(fā)射機具有調(diào)制體制先進、體積小、功耗低和擴展性強等特點，可應(yīng)用于未來新型無線遙測遙控系統(tǒng)中。