一種相位調(diào)制的微波移相實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)

摘要 相位調(diào)制有多種實(shí)現(xiàn)方法。常見的是正交調(diào)制。文中提出了一種采用微波移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的新設(shè)計(jì)，通過與正交調(diào)制方法進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)了2，8，16，32和64相的相位調(diào)制。實(shí)測表明，文中設(shè)計(jì)的移相誤差<1.2°，誤碼率達(dá)到了常見的正交相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)技術(shù)的誤碼水平。此外新設(shè)計(jì)無需常見的正交相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)技術(shù)所必須的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、正交調(diào)制器和混頻器，使系統(tǒng)得以簡化，且成本有所降低。

相位調(diào)制有多種實(shí)現(xiàn)方法，既有模擬方法，也有數(shù)字方法。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信逐漸成為主流。相位調(diào)制技術(shù)研究也主要集中在數(shù)字方法方面。文獻(xiàn)提出基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的數(shù)字相位調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法，并采用直接頻率合成技術(shù)和查找表技術(shù)，在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)適用于衛(wèi)星通信的相位調(diào)制技術(shù)。但由于其對數(shù)字處理芯片的處理速度要求較高，所以其應(yīng)用僅限于專業(yè)研究領(lǐng)域。文獻(xiàn)介紹了數(shù)字通信系統(tǒng)中相位調(diào)制的多種實(shí)現(xiàn)方法，包括模擬相位選擇方法、鍵控相位選擇法和正交調(diào)制法。模擬相位選擇方法和鍵控相位選擇法是早期基于模擬相位調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法，目前已很少使用。而正交調(diào)制法適應(yīng)了數(shù)字技術(shù)的發(fā)展需要，能實(shí)現(xiàn)絕對調(diào)相和相對調(diào)相，也可實(shí)現(xiàn)多進(jìn)制調(diào)相，是目前最常用的相位實(shí)現(xiàn)方法。但正交調(diào)制法需要與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件及正交調(diào)制器聯(lián)合使用，有時(shí)還需上變頻器，因此成本較高。

當(dāng)前，微波移相技術(shù)得到了廣泛研究。而簡單、低成本的移相實(shí)現(xiàn)技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種新型的適用于相控天線陣的Radant透鏡式移相器，但對其在相位調(diào)制系統(tǒng)中的應(yīng)用未作研究。文獻(xiàn)提出一種基于微波移相系統(tǒng)的PSK調(diào)制技術(shù)，但對設(shè)計(jì)的測試結(jié)果缺乏深入的對比和分析，本文結(jié)合相位調(diào)制和微波移相技術(shù)提出了采用正交調(diào)制和微波移相兩種方法實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的新設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了2，4，8，16，32和64相的相位調(diào)制，同時(shí)對其進(jìn)行了對比。實(shí)際測試表明，采用該技術(shù)制作的無線發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行通信，誤碼率達(dá)到了常用正交調(diào)制器的誤碼水平，結(jié)構(gòu)簡化、成本更低。

1 相位調(diào)制的新設(shè)計(jì)

M相相位調(diào)制的載波信號為

Sk(t)=Acos(ωct+θk) (1)

其中，A是常數(shù)，由發(fā)射機(jī)的發(fā)射能量決定;ωc是載波角頻率;θk是由第k個(gè)基帶數(shù)字信號比特位決定的載波相位，θk∈{2πi/M+θ}，i=1，2，…，M-1;θ為初相;M=2，4，8，16，32，64等。

M-PSK信號矢量星座圖如圖1所示。

新設(shè)計(jì)的框架如圖2所示，結(jié)合了兩種方案。一種是傳統(tǒng)的正交調(diào)制方法，在圖2中用“The Orthogonal Method”表示，其包括一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器件(DAC)、一個(gè)正交調(diào)制器(OM)、一個(gè)中頻數(shù)字頻率合成和壓控振蕩器(IF-NCO)以及一個(gè)上混頻器(mixer)。其中，DAC將來自FPGA的基帶數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。OM用輸入的基帶信號調(diào)制IF-NCO輸入的中頻余弦信號。mixer將正交調(diào)制后的信號和來自NCO角頻率為ωc-ωi的余弦信號混頻后形成最終的已調(diào)載波。

圖2的上半部分是采用微波移相實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的新方法，表示為“The New Method”。整個(gè)系統(tǒng)以FPGA為核心，包括一個(gè)NCO和一個(gè)微波調(diào)相網(wǎng)絡(luò)WPN。NCO和WPN在FPGA的控制下協(xié)調(diào)工作。NCO在FPGA的控制下產(chǎn)生余弦載波信號cos(ωct)。余弦載波信號cos(ωct)經(jīng)過微波調(diào)相網(wǎng)絡(luò)WPN時(shí)，F(xiàn)PGA根據(jù)基帶信號按照圖1的星座圖控制WPN，使載波的相位按式(1)變化，實(shí)現(xiàn)載波信號的相位調(diào)制?？梢钥吹?，兩種方案的已調(diào)載波均經(jīng)過微波調(diào)相網(wǎng)絡(luò)WPN，這樣做是為了保證在基帶信號相同時(shí)兩種方案均具有相同的信噪比(SNR)，通過改變FPGA的程序便可比較其性能。微波調(diào)相網(wǎng)絡(luò)WPN是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，此處采用6位數(shù)字移相器實(shí)現(xiàn)。

MPN是新設(shè)計(jì)的核心，由6個(gè)級聯(lián)的基本移相單元(BPSC)組成。每個(gè)BPSC由兩個(gè)射頻開關(guān)(SW)和兩根長度不同的微帶線組成。在FPGA的控制下，BPSC選擇載波經(jīng)過的微帶線，兩條微帶線的電長度之差即為移相角度。6個(gè)移相網(wǎng)絡(luò)單元之間相互獨(dú)立，串聯(lián)組成6位數(shù)字移相器，開關(guān)ON時(shí)移相，開關(guān)OFF時(shí)不移相。6位數(shù)字移相器實(shí)現(xiàn)的相移度數(shù)分別為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可看出，F(xiàn)PGA通過6根信號線分別控制6個(gè)移相網(wǎng)絡(luò)單元實(shí)現(xiàn)移相。當(dāng)控制信號為0時(shí)，移相網(wǎng)絡(luò)單元選擇短微帶線為通路，長微帶線為開路。當(dāng)控制信號為1時(shí)，移相網(wǎng)絡(luò)單元控制長微帶線導(dǎo)通，短微帶線斷開。而當(dāng)控制兩條微帶線的通斷即可實(shí)現(xiàn)射頻信號的固定相移。整個(gè)移相器電路可分為兩部分：移相網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)。移相網(wǎng)絡(luò)包括微帶線和射頻開關(guān)，實(shí)現(xiàn)射頻信號的移相?？刂凭W(wǎng)絡(luò)包括FPGA和反相器，實(shí)現(xiàn)對射頻開關(guān)工作狀態(tài)的控制。實(shí)際的移相網(wǎng)絡(luò)電路如圖4所示。圖4是一個(gè)完整的射頻前端電路，不僅包括MPN，還包括射頻放大和電源部分。

根據(jù)式(1)，對2相相位調(diào)制，θk=180°或0°，只需控制K6的狀態(tài)，其余開關(guān)OFF便可實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

對4相相位調(diào)制，θk是90°的倍數(shù)，只要控制K5和K6的狀態(tài)，其余開關(guān)OFF便可實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

對8相相位調(diào)制，θk是45°的倍數(shù)，只要控制K4、K5和K6的狀態(tài)，其余開關(guān)OFF便可實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

對16相相位調(diào)制，θk是22.5°的倍數(shù)，只要控制K3、K4、K5和K6的狀態(tài)，其余開關(guān)OFF便可實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

對32相相位調(diào)制，θk是11.25°的倍數(shù)，只要控制K2、K3、K4、K5和K6的狀態(tài)，其余開關(guān)OFF便可實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

對64相相位調(diào)制，θk是5.625°的倍數(shù)，控制K1、K2、K3、K4、K5和K6的狀態(tài)便可實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

另外，如果設(shè)所有開關(guān)均OFF的狀態(tài)對應(yīng)的載波初相為0，則移相器還可實(shí)現(xiàn)載波初相選擇。例如，要實(shí)現(xiàn)圖1中初相度數(shù)θ=45°的星座圖，只需K4處于ON，然后控制K5K6的狀態(tài)即可。

2 仿真和測試

MPN的設(shè)計(jì)采用ADS軟件包實(shí)現(xiàn)并仿真。設(shè)計(jì)采用厚度為1.6 mm、介電常數(shù)為2.2的Rogers板材，損耗角正切(Loss Tangent)為0.003 5。工作頻率為3.8～4.0 GHz。射頻開關(guān)選用Hittite公司生產(chǎn)的GaAs單刀雙擲開關(guān)HMC536，插入損耗僅為0.3 dB，符合設(shè)計(jì)要求。仿真與測試結(jié)果如表1所示。由表可見仿真和測試誤差均<1.2°，達(dá)到了設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。

由于其共享射頻前端電路，所以兩種方案只有軟件上的差別，只需控制FPGA的基帶數(shù)據(jù)便可比較其性能。測試時(shí)兩種方案均采用相同的基帶數(shù)據(jù)，硬件環(huán)境保持一致，只修改軟件就可進(jìn)行對比測試。兩種方案的性能對比如圖5所示，其中橫軸為接收信噪比(SNR)，縱軸為接收誤碼率(BER)。“new”表示新設(shè)計(jì)方案，“orthogonal”表示傳統(tǒng)的正交調(diào)制方案。由圖5可見，采用新技術(shù)制作的無線發(fā)射系統(tǒng)的性能達(dá)到了正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)技術(shù)的誤碼水平。且新設(shè)計(jì)無需正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)技術(shù)必須的正交調(diào)制器和混頻器，使系統(tǒng)得以簡化，并使成本降低。尤其是當(dāng)該技術(shù)應(yīng)用于天線陣系統(tǒng)時(shí)還能夠采用同一個(gè)調(diào)相網(wǎng)絡(luò)同時(shí)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和波束合成，使系統(tǒng)得到了進(jìn)一步簡化。

3 結(jié)束語

由圖5可見，采用新技術(shù)制作的無線發(fā)射系統(tǒng)性能達(dá)到了正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)技術(shù)的誤碼水平。新設(shè)計(jì)無需正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)技術(shù)必須的正交調(diào)制器和混頻器，使系統(tǒng)簡化、成本降低。尤其當(dāng)該技術(shù)應(yīng)用于天線陣系統(tǒng)時(shí)，能夠采用同一個(gè)調(diào)相網(wǎng)絡(luò)同時(shí)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和波束合成，使系統(tǒng)進(jìn)一步簡化。例如，當(dāng)該系統(tǒng)用于BPSK調(diào)制時(shí)，由于K1、K2、K3、K4、K5處于空閑狀態(tài)，所以可以用于波束合成。如果該系統(tǒng)的串聯(lián)級數(shù)增加，還可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的波束合成。