郝文慧， 蔡 偉， 王艦洋， 謝青梅， 劉世碩

(1.中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院， 北京 100041； 2.中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所， 北京 100015)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動通信等現(xiàn)代信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，各類信息服務(wù)應(yīng)用需求迫使無線通信向著更高的頻譜利用率、更大的系統(tǒng)容量以及更廣的覆蓋范圍發(fā)展。由于傳統(tǒng)通信42 GHz以下頻段的頻譜資源緊張稀缺，提高工作頻率以獲取高帶寬成為擴(kuò)展通信容量最基本也最有效的途徑[1-2]。高頻毫米波以頻率高、波束窄、電磁隱蔽性和抗干擾性能好等特性，在無線傳輸中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢。與低頻段微波相比，高頻毫米波受大氣吸收和降雨衰落等環(huán)境因素影響嚴(yán)重，但高頻段干擾源較少，空間傳播穩(wěn)定可靠；與可見光相比，高頻毫米波系統(tǒng)對煙霧灰塵的穿透力較強(qiáng)，不會引起傳輸中斷，具有較好的全天候通信能力[3-4]。其中，覆蓋了60 GHz～90 GHz廣闊頻率范圍的E波段毫米波，損耗相對較小，不超過0.5 dB/km，且71 GHz～76 GHz和81 GHz～86 GHz兩個(gè)5 GHz帶寬的完整子帶寬已經(jīng)被國際電信聯(lián)盟確定為通信用頻段，逐漸成為熱點(diǎn)開發(fā)頻段[5-7]，美國DARPA射頻骨干網(wǎng)項(xiàng)目就是基于E波段實(shí)現(xiàn)[8]。得益于寬譜資源優(yōu)勢，E波段毫米波可實(shí)現(xiàn)超大容量空口傳輸速率，在各類無線通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于高頻段大氣衰減嚴(yán)重，同等傳輸距離條件下，通信頻率的提升對輻射功率的要求倍增，具體到E波段無線傳輸系統(tǒng)，放大器輸出功率甚至要達(dá)到數(shù)十瓦。因此，具有數(shù)十瓦級功率、高效回退操作、高溫度穩(wěn)定性等優(yōu)勢的行波管成為毫米波遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)的重要組成部分[9-10]。行波管是一種基于電子注與電磁波之間能量交換實(shí)現(xiàn)對高頻電磁波放大的真空電子器件，依賴其獨(dú)有的真空工作環(huán)境和收集及回收技術(shù)，使其天然的具備大功率、高效率的優(yōu)勢，而真空放大模塊將行波管和配套的高壓電源(十千伏以上)集成為一體，僅需外部低壓供電，具備小型化、高可靠、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，可為毫米波大容量遠(yuǎn)距離傳輸提供大輻射功率保障。為了驗(yàn)證E波段毫米波系統(tǒng)的無線傳輸能力，探索E波段超寬帶、大容量毫米波無線傳輸?shù)膽?yīng)用潛力，本文研制了基帶信號處理模塊、毫米波上下變頻模塊、真空放大模塊等，設(shè)計(jì)了工作帶寬不小于2 GHz，傳輸速率3.3 Gbps ～ 10.1 Gbps三檔可調(diào)的毫米波無線傳輸系統(tǒng)。通過采用大功率耦合器和一對增益不小于25 dBi的矩形喇叭天線對系統(tǒng)進(jìn)行了空口傳輸測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的傳輸性能。等同信噪比條件下，可傳輸距離不小于10 km，實(shí)現(xiàn)了超寬帶、大容量毫米波信號的高性能無線傳輸。

1 E波段毫米波無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)香農(nóng)定理，系統(tǒng)的鏈路容量C可表示為

(1)

式中：B為系統(tǒng)工作帶寬；S為接收信號功率；N為接收機(jī)噪聲功率。若以頻譜效率為變量，式(1)可表示為

C=B×ηSE

(2)

式中：ηSE為頻譜效率，受接收端信噪比限制。由式(2)可知，若要增大傳輸容量，一是要提升系統(tǒng)工作帶寬和頻帶利用率；二是要應(yīng)用高階調(diào)制提升頻譜效率。本文采用基于“正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)+ 高階調(diào)制解調(diào)技術(shù)(64 QAM、16 QAM、QPSK三檔可調(diào))+ 低復(fù)雜度RS(Reed-solomon codes)編譯碼 + 信道估計(jì)/均衡 + E 波段真空放大”的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)E波段毫米波超寬帶無線傳輸。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，毫米波通信系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分，主要由基帶信號處理模塊、毫米波上下變頻模塊、E波段真空放大模塊和毫米波天線等組成。其中，基帶信號處理模塊實(shí)現(xiàn)超寬帶大容量信號的調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼、信道估計(jì)/均衡等；毫米波上下變頻模塊實(shí)現(xiàn)基帶信號到E波段的上下變頻轉(zhuǎn)換；E波段真空放大模塊實(shí)現(xiàn)毫米波信號的功率放大；毫米波天線實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)射和接收。

圖1 E波段毫米波通信系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基帶信號處理模塊設(shè)計(jì)

基帶信號處理模塊采用軟件無線電架構(gòu)設(shè)計(jì)，按照“通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化”的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)硬件通用化、功能軟件化?；贔PGA 的模塊軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示，主要包括參數(shù)配置接口、調(diào)制解調(diào)核心以及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換等。PC接口邏輯進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)包的解析，確定數(shù)據(jù)包類型后轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的控制數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模塊?？刂茢?shù)據(jù)接口和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口根據(jù)數(shù)據(jù)類型完成控制命令方式傳送，提供調(diào)制方式、速率、編碼方式、帶寬等基本物理層配置選項(xiàng)等，調(diào)制解調(diào)核心根據(jù)控制指令提供的配置參數(shù)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)處理，ADC和DAC接口邏輯實(shí)現(xiàn)對外部ADC芯片和DAC芯片的接口和控制邏輯，包括數(shù)據(jù)收發(fā)、轉(zhuǎn)換以及校準(zhǔn)測試等基本邏輯。

圖2 基于SDR的基帶信號處理模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)

基帶信號由4個(gè)窄帶信號組成，4路OFDM信號通過載波聚合實(shí)現(xiàn)寬帶信號，基帶信號每幀數(shù)據(jù)開頭包含兩個(gè)導(dǎo)頻幀頭，分別用于幀同步和信道估計(jì)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用高階QAM調(diào)制和RS信道編碼，不同的調(diào)制方式和不同碼率的編碼組合成不同的傳輸格式，不同調(diào)制格式下對應(yīng)的傳輸速率分別為：QPSK調(diào)制下，傳輸速率為3.3 Gbps；16QAM調(diào)制下，傳輸速率為6.7 Gbps；64 QAM調(diào)制下，傳輸速率為10.1 Gbps，信號產(chǎn)生過程如圖3所示。

圖3 基帶信號的產(chǎn)生過程示意圖

1.2 毫米波上下變頻模塊

基帶信號處理模塊輸出帶寬不小于2 GHz、中心頻率為1.536 GHz的寬帶信號，通?；祛l器是雙邊帶調(diào)制，如果直接上變頻到E波段，上下邊帶距離太近，對高頻段毫米波帶通濾波器要求苛刻，因此，本文采用二次變頻的方案，增加上下邊帶間的過渡帶，降低對高頻毫米波濾波器的要求。毫米波上變頻模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，主要由X波段上變頻和E波段上變頻功能模塊組成，毫米波下變頻模塊結(jié)構(gòu)與上變頻模塊基本一致。X波段上變頻模塊首先將基帶輸出的低中頻信號上變頻到X波段，然后通過E波段上變頻模塊實(shí)現(xiàn)X波段到中心頻率為84.664 GHz的E頻段變換。

圖4 毫米波上變頻模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的毫米波上下變頻模塊實(shí)物如圖5(a)所示，基帶信號輸入毫米波上下變頻模塊前后的頻譜對比如圖5(b)和(c)所示。由圖示可看出，輸入上下變頻模塊前，基帶信號信噪比約31 dB，功率譜抖動約3 dB，從低頻段到高頻段單向變化，呈線性抖動趨勢，易于進(jìn)行均衡補(bǔ)償。經(jīng)過毫米波上下變頻模塊后信噪比為28 dB，惡化3 dB，功率譜抖動約6 dB，且呈現(xiàn)紋波抖動趨勢，增大均衡補(bǔ)償?shù)碾y度。通過閉環(huán)測試，解調(diào)后三種調(diào)制格式誤碼率均可達(dá)到10-5量級。

圖5

1.3 E波段真空放大模塊

E波段真空放大模塊集成了E波段行波管、與之配套的高壓電源組件及相應(yīng)的控制保護(hù)電路，整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 E波段真空放大模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)

其中，E波段行波管是真空放大模塊的核心組成部分，主要由電子槍、聚焦系統(tǒng)、慢波系統(tǒng)、輸能系統(tǒng)和收集極組成。采取的技術(shù)方案包括：采用聚焦極控制的皮爾斯電子槍產(chǎn)生高能電子注；利用周期永磁聚焦維持電子注在極細(xì)通道內(nèi)的穩(wěn)定傳輸；慢波系統(tǒng)作為電子注與電磁波產(chǎn)生能量交換的核心場所，采用全金屬折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有高功率容量、易加工的優(yōu)點(diǎn)；輸能系統(tǒng)采用金剛石盒型窗，實(shí)現(xiàn)射頻輸入輸出信號低損耗傳輸；采用多級降壓收集極提高電子回收效率從而提高總效率。通過采用電磁分析設(shè)計(jì)環(huán)境對電子槍進(jìn)行優(yōu)化仿真，采用三維電磁場仿真軟件(Computer Simulation Technology，CST)對磁聚焦系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，用微波管模擬器套件(Microwave Tube Simulator Suite，MTSS)軟件進(jìn)行注波互作用模擬和多級降壓收集級仿真設(shè)計(jì)，最終確定高性能行波管各組件設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)施方案。

考慮到真空放大模塊大功率的特點(diǎn)，將給器件散熱帶來較大挑戰(zhàn)，利用Ansys對其進(jìn)行熱力學(xué)可靠性分析與優(yōu)化，最終完成真空放大模塊的集成，實(shí)物圖如圖7(a)所示。性能測試結(jié)果表明，83 GHz～86 GHz頻帶內(nèi)，模塊小信號增益不小于44 dB，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率超過45 W(46 dBm)，模塊功率效率超過22%。圖7(b)給出了模塊的增益曲線，可見真空放大模塊增益隨頻率變化較明顯。對本系統(tǒng)帶寬信號而言，受增益不平坦特性影響，真空放大模塊大幅度增大信號功率的同時(shí)，引入了6～7 dB的功率抖動。

圖7 真空放大模塊實(shí)物圖及其測試結(jié)果

2 E波段毫米波系統(tǒng)測試結(jié)果

在完成各模塊研制與測試的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證E波段無線通信系統(tǒng)的傳輸性能，搭建了E波段無線傳輸系統(tǒng)原型樣機(jī)，對不同傳輸速率下系統(tǒng)傳輸距離和誤碼率指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)框圖如圖8所示，其中，毫米波天線增益為25 dBi。由于E波段大功率真空放大模塊線性輸出功率不小于30 W，在防護(hù)條件受限的情況下，為避免產(chǎn)生較大輻射，系統(tǒng)采用E波段30 dB耦合器將大部分信號能量利用大負(fù)載接收，少部分信號能量經(jīng)過毫米波天線輻射，進(jìn)行 1 m空口距離的傳輸性能測試。

圖8 E波段毫米波無線系統(tǒng)空口傳輸測試框圖

在理想的自由空間傳播條件下，毫米波無線傳輸損耗可表示為

Loss=32.5+20lg(F)+20lg(D)

(3)

式中：F為無線傳輸信號的中心頻率，MHz；D為空口傳輸距離，km。由式(3)可得，中心頻率為84.664 GHz時(shí)，1 m的空口傳輸距離對應(yīng)的毫米波空間傳輸損耗為70.9 dB。實(shí)驗(yàn)中，在保證誤碼率的條件下，通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器的衰減系數(shù)找出不同傳輸速率對應(yīng)的最大衰減值，從而得出系統(tǒng)的鏈路余量，測試結(jié)果如表3所示。等同信噪比條件下，傳輸速率為3.33 Gbps、誤碼率為10-6量級時(shí)，系統(tǒng)鏈路余量為33 dB，若采用50 dBi大增益天線，等效傳輸距離可達(dá)14 km；傳輸速率為6.67 Gbps、誤碼率為10-6量級時(shí)，系統(tǒng)鏈路余量為30 dB，若采用50 dBi大增益天線，等效傳輸距離可達(dá)10 km；傳輸速率為10.1 Gbps、誤碼率最小為10-5量級時(shí)，系統(tǒng)鏈路余量為30 dB，若采用50 dBi大增益天線，等效傳輸距離可達(dá)10 km。

表3 不同調(diào)制格式下系統(tǒng)的傳輸性能測試結(jié)果

理論上，誤碼率在10-6量級時(shí)，QPSK、16QAM、64QAM解調(diào)所需Eb/N0門限分別為7.1 dB、10.9 dB、15.4 dB。通過試驗(yàn)測試，不同調(diào)制格式信號經(jīng)過基帶模塊、毫米波上下變頻模塊、真空放大模塊后Eb/N0的變化如圖9所示，對于QPSK和16QAM調(diào)制，基帶信號Eb/N0與理論值門限相差不大，經(jīng)過毫米波上下變頻模塊引入約4.5 dB的惡化，經(jīng)過真空放大模塊引入約4 dB的惡化，解調(diào)測試誤碼率都可達(dá)到10-6量級。對于64QAM調(diào)制，信號經(jīng)過毫米波上下變頻模塊后Eb/N0門限為22 dB，解調(diào)測試誤碼率可達(dá)到10-6量級，系統(tǒng)接入真空放大模塊后引入6～7 dB的功率譜抖動，超出均衡的補(bǔ)償范圍，測試誤碼率只能到10-5量級。

圖9 E波段毫米波無線系統(tǒng)空口傳輸BER- Eb/N0理論曲線與實(shí)測值對比框圖

3 待解決的問題和解決方法

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，信噪比和功率平坦度是系統(tǒng)傳輸性能的主要制約因素，調(diào)制階數(shù)越高，傳輸速率越大，解調(diào)所需的信噪比也越高。對于系統(tǒng)信噪比而言，本文基帶信號處理模塊所采用的DAC芯片分辨率為8 bit，輸出基帶信號信噪比為31 dB。理論上，DAC分辨率每增加1 bit，信噪比增大6.02 dB，若采用12 bit或更高分辨率的DAC，基帶輸出信噪比可增大約24 dB。同時(shí)，相比本文采用的RS信道編碼，LDPC編碼能提高2～3 dB的編碼增益。因此為了提升系統(tǒng)信噪比，增大傳輸速率，緩解后續(xù)各個(gè)分系統(tǒng)的壓力，下一步將從DAC芯片選型和信道編碼方面改進(jìn)基帶信號處理模塊。

同時(shí)，大功率真空放大模塊需要采用高壓電源供電，模塊設(shè)計(jì)過程中要進(jìn)一步改進(jìn)供電方式，同時(shí)加強(qiáng)接地防護(hù)措施，保證使用安全。

此外，本系統(tǒng)真空放大模塊引入的功率譜抖動較大(6～7 dB)，且受非線性效應(yīng)影響，紋波式功率譜抖動增大了后續(xù)數(shù)字補(bǔ)償?shù)碾y度。為了減小放大增益不平坦特性影響，后續(xù)將引入預(yù)失真線性化器抑制真空放大模塊的非線性效應(yīng)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套E波段10 Gbps級超寬帶毫米波無線傳輸系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各組成模塊的設(shè)計(jì)思路與實(shí)物性能分析等，并采用大功率耦合器和增益為25 dBi的喇叭天線對整體系統(tǒng)的無線傳輸性能進(jìn)行了空口傳輸距離1 m的性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3.3 Gbps～10.1 Gbps三檔不同傳輸速率下的高性能傳輸。等同信噪比條件下，3.33 Gbps的傳輸速率可等效傳輸14 km，誤碼率可達(dá)10-6量級；6.67 Gbps的傳輸速率可等效傳輸10 km，誤碼率可達(dá)10-6量級；傳輸速率為10.1 Gbps的傳輸速率可等效傳輸10 km，誤碼率可達(dá)10-5量級。同時(shí)，本文對系統(tǒng)性能的影響因素進(jìn)行了分析，并給出了后續(xù)改進(jìn)措施，為實(shí)現(xiàn)超寬帶、大容量毫米波遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)於思夹g(shù)積累和工程經(jīng)驗(yàn)。下一步，本系統(tǒng)將進(jìn)一步優(yōu)化軟硬件性能，提升產(chǎn)品成熟度，推動大容量E波段的無線通信系統(tǒng)的落地應(yīng)用。