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标题: 四相调制(QPSK)发射机的设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 20:01
标题: 四相调制(QPSK)发射机的设计
以往在空空导弹遥测中多采用PCM/FM 体制，发射机为调频方式，多工作于锁相调频方式。某低空炮弹遥测系统为提高抗地面多径干扰的能力，采用了直序扩频调制，需要使用四相调制(QPSK)发射机。该发射机与信号采集电路采用数字接口，利用双路差分输出数/模转换电路AD9761产生基带I/Q信号，利用ADF4360-1锁相环产生差分本振信号，利用AD8346进行差分正交调制，采用差分电路提高了系统性能，降低了本振泄漏，采用射频放大芯片HMC478和HMC457将信号放大到29 dBm。经测试功率输出端的信号调制矢量误差(EVM)为5%。该发射机已经参与遥测系统试验，结果证明工作稳定。
1 发射机常用调制方式
发射机调制方式常用中频调制和射频直接调制2种方式。中频调制是在较低的中频上进行调制后，再通过混频等频率变换，把该中频信号搬移到需要的发射载波频率上去。对射频的直接调制是在需要发射的射频频率上进行的，直接把基带信号调制到射频载波频率上，没有变频环节。两种调制方式各有优缺点，主要对比见表1。

由于中频调制一般是在较低的频率上进行的，调制器的选择范围大，易于实现，并且由于变频环节的存在，对调制的直流分量和载波泄露都有较好的抑制。但因采用了变频环节，所以相对直接射频调制需要增加混频器、滤波器和一级本振，提高了系统复杂度，增加了系统成本，可靠性也有所降低。同时由于中频频率较低，难以实现较高的调制带宽。
射频直接调制的方法具有系统简单可靠，调制带宽宽，器件少，成本低等优点，比较适合高数据率、小体积等场合的应用需要。但存在适应载波频率受限，载波泄露较大，对本振要求要较高等问题，在对载波泄漏、带外衰减的要求严格时难以满足指标要求。
2 发射机设计
本系统工作在遥测专用的S波段，一般情况下用户数有限，对于载波泄漏和带外衰减要求不太严格，而本系统关键问题是遥测舱可用空间小，需要抗很强的炮弹发射过载，因此本方案选用射频直接调制方式。本发射机本振和I，Q信号都采用差分输出方式，利用差分接口的调制器实现调制，较好地抑制了电路中的共模干扰。图1为发射机原理框图。基带信号经滤波对射频本振进行调制，而后经射频放大、低通滤波器除谐波输出。

2.1 数字接口设计
因前端数字电路可直接输出差分的I，Q数字信号，因此设计初期在发射机中未设计数字接口电路，直接由前端数字电路输出的差分I，Q信号对射频本振进行正交调制，但经实际试验，调制特性太差，主要原因在于数字电路输出与调制器难以匹配。因此对其进行了改进，在发射机内加入了由AD9761双路差分输出 DAC构成的接口电路。该电路具有40 MSPS转换速率(单路40 MSPS)、10 bit DAC、双路差分转换输出，并
且具有2倍采样插值滤波功能。该电路输出为电流模式，能够实现与调制器的良好匹配。
2.2 基带滤波电路设计
符号速率为1 MHz的随机序列频谱如图2所示。对信号进行滤波可以对边带信号进行抑制，减小带宽的占用。如果采用模拟滤波则需要的滤波器阶数很高，这会增大滤波器的体积，降低环境的稳定性。采用数字滤波技术可以很方便地实现高阶滤波，对近端带外信号进行抑制，降低对模拟滤波器的要求。本方案采用的数字接口电路是具有2 倍采样43阶FIR的低通插值滤波电路，相当于增加了滤波器，阻带抑制达到62 dB，因此调制输出的信号频谱特性得到了很大改善，通带外的近端频谱得到了很大抑制，对于高于转换时钟的频率，其滤波特性的周期性折叠。图3为经过插值数字滤波后的频谱与原频谱的对比，数字插值滤波电路的阻带抑制使模拟滤波器有较宽的过渡带，电路要求得以降低。
为简化电路，本方案采用了较简单的RC滤波电路，旁瓣抑制达到40 dB。

2.3 本振设计
本振电路产生射频本振信号。由于正交相位调制对本振信号的性能要求较高，且本系统中采用直接射频调制，为达到一定的载波泄漏控制，应选择差分输出的本振电路。本方案选用ADF4360-1集成锁相环(PLL)电路产生射频本振。ADF4360-1是AD公司的一款集成VCO的完整锁相环芯片，体积小，使用方便，性能可靠等特点。封装仅有4 mm×4 mm，能够输出2 050～2 450 MHz的射频信号，采用3线串行接口控制。
2.4 调制电路
调制电路主要完成直接射频调制功能。它采用经过滤波的双路差分调制信号对射频本振进行调制。本设计选择了AD公司生产的正交调制器AD8346，它是一款宽频段正交调制器，工作频段为800～2 500 MHz，具有调制精度高，噪声电平低等特点，其相位误差为1°，I，Q幅度不平衡度为0.2 dB，噪声电平为-147 dBm/Hz。本项目使用频率为2.2～2.3 GHz，通过合理电路布局和端口匹配，达到了较好的调制效果，实测矢量调制误差为2%～3%。
2.5 放大电路
由于射频调制后信号幅度较小，所以必须进行有效的放大，以达到需要的功率。在本方案中采用了两级射频放大器，第一级采用HMC47 8MP86，第二级采用HMC457QS16G，两级放大器的输入输出为50 Ω匹配，HMC478的增益高，噪声系数低，线性度好;HMC457的输出功率大，其1 dB压缩输出可达30.5 dBm。两级放大器的增益共有41 dB，扣除级间匹配等损失，最终输出29 dBm。两级放大器都是Hittite公司的工业级产品，可以满足-40～+85℃的温度环境，并且都采用表面贴装的封装形式，抗冲击振动能力强。
2.6 射频滤波电路设计
射频放大电路不可避免存在一定的非线性，会产生工作频率的谐波，为降低带外辐射，减小对其他系统的干扰，设计了微带低通滤波电路，对谐波进行抑制。
2.7 电源设计
电源电路用于将12 V非稳压输入转化为发射机各部件使用的5 V和3.3 V电压。其中5 V为接口电路和放大电路供电，因耗电较大，而选择了DC/DC转换电路，以达到较高的转换效率;3.3 V用于锁相本振电路，采用线性稳压电路通过对5 V降压得到，以降低纹波。在设计中分别采用了LT公司的LT3431和LT1962。在印制板布线时为减小电源纹波，对电源布线进行了详细的优化。
3 设计结果
本项目在一片φ75 mm的电路板上完成了电路设计，装配完成后进行了级间匹配调整。最终达到的指标是：本振相位噪声为-95dBc/Hz@1 kHz;本振杂散抑制为72 dBc;输出信号功率为29 dBm;输出信号EVM为5.5%。
4 结语
本发射机已研制完成，通过高低温、冲击、振动等环境试验，参与了某低空遥测系统实弹发射试验。在整个过程中，发射机的工作稳定可靠，可以达到设计目标。

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