四相調(diào)制(QPSK)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)方案

以往在空空導(dǎo)彈遙測(cè)中多采用PCM/FM體制，發(fā)射機(jī)為調(diào)頻方式，多工作于鎖相調(diào)頻方式。某低空炮彈遙測(cè)系統(tǒng)為提高抗地面多徑干擾的能力，采用了直序擴(kuò)頻調(diào)制，需要使用四相調(diào)制(QPSK)發(fā)射機(jī)。該發(fā)射機(jī)與信號(hào)采集電路采用數(shù)字接口，利用雙路差分輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路AD9761產(chǎn)生基帶I/Q信號(hào)，利用ADF4360-1鎖相環(huán)產(chǎn)生差分本振信號(hào)，利用AD8346進(jìn)行差分正交調(diào)制，采用差分電路提高了系統(tǒng)性能，降低了本振泄漏，采用射頻放大芯片HMC478和HMC457將信號(hào)放大到29 dBm。經(jīng)測(cè)試功率輸出端的信號(hào)調(diào)制矢量誤差(EVM)為5%。該發(fā)射機(jī)已經(jīng)參與遙測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)，結(jié)果證明工作穩(wěn)定。

　　1 發(fā)射機(jī)常用調(diào)制方式

　　發(fā)射機(jī)調(diào)制方式常用中頻調(diào)制和射頻直接調(diào)制2種方式。中頻調(diào)制是在較低的中頻上進(jìn)行調(diào)制后，再通過(guò)混頻等頻率變換，把該中頻信號(hào)搬移到需要的發(fā)射載波頻率上去。對(duì)射頻的直接調(diào)制是在需要發(fā)射的射頻頻率上進(jìn)行的，直接把基帶信號(hào)調(diào)制到射頻載波頻率上，沒(méi)有變頻環(huán)節(jié)。兩種調(diào)制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要對(duì)比見(jiàn)表1。

　　由于中頻調(diào)制一般是在較低的頻率上進(jìn)行的，調(diào)制器的選擇范圍大，易于實(shí)現(xiàn)，并且由于變頻環(huán)節(jié)的存在，對(duì)調(diào)制的直流分量和載波泄露都有較好的抑制。但因采用了變頻環(huán)節(jié)，所以相對(duì)直接射頻調(diào)制需要增加混頻器、濾波器和一級(jí)本振，提高了系統(tǒng)復(fù)雜度，增加了系統(tǒng)成本，可靠性也有所降低。同時(shí)由于中頻頻率較低，難以實(shí)現(xiàn)較高的調(diào)制帶寬。

　　射頻直接調(diào)制的方法具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，調(diào)制帶寬寬，器件少，成本低等優(yōu)點(diǎn)，比較適合高數(shù)據(jù)率、小體積等場(chǎng)合的應(yīng)用需要。但存在適應(yīng)載波頻率受限，載波泄露較大，對(duì)本振要求要較高等問(wèn)題，在對(duì)載波泄漏、帶外衰減的要求嚴(yán)格時(shí)難以滿足指標(biāo)要求。

　　2 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)工作在遙測(cè)專用的S波段，一般情況下用戶數(shù)有限，對(duì)于載波泄漏和帶外衰減要求不太嚴(yán)格，而本系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題是遙測(cè)艙可用空間小，需要抗很強(qiáng)的炮彈發(fā)射過(guò)載，因此本方案選用射頻直接調(diào)制方式。本發(fā)射機(jī)本振和I，Q信號(hào)都采用差分輸出方式，利用差分接口的調(diào)制器實(shí)現(xiàn)調(diào)制，較好地抑制了電路中的共模干擾。圖1為發(fā)射機(jī)原理框圖。基帶信號(hào)經(jīng)濾波對(duì)射頻本振進(jìn)行調(diào)制，而后經(jīng)射頻放大、低通濾波器除諧波輸出。

　　2.1 數(shù)字接口設(shè)計(jì)

　　因前端數(shù)字電路可直接輸出差分的I，Q數(shù)字信號(hào)，因此設(shè)計(jì)初期在發(fā)射機(jī)中未設(shè)計(jì)數(shù)字接口電路，直接由前端數(shù)字電路輸出的差分I，Q信號(hào)對(duì)射頻本振進(jìn)行正交調(diào)制，但經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，調(diào)制特性太差，主要原因在于數(shù)字電路輸出與調(diào)制器難以匹配。因此對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，在發(fā)射機(jī)內(nèi)加入了由AD9761雙路差分輸出DAC構(gòu)成的接口電路。該電路具有40 MSPS轉(zhuǎn)換速率(單路40 MSPS)、10 bit DAC、雙路差分轉(zhuǎn)換輸出，并

　　且具有2倍采樣插值濾波功能。該電路輸出為電流模式，能夠?qū)崿F(xiàn)與調(diào)制器的良好匹配。

　　2.2 基帶濾波電路設(shè)計(jì)

　　符號(hào)速率為1 MHz的隨機(jī)序列頻譜如圖2所示。對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波可以對(duì)邊帶信號(hào)進(jìn)行抑制，減小帶寬的占用。如果采用模擬濾波則需要的濾波器階數(shù)很高，這會(huì)增大濾波器的體積，降低環(huán)境的穩(wěn)定性。采用數(shù)字濾波技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)高階濾波，對(duì)近端帶外信號(hào)進(jìn)行抑制，降低對(duì)模擬濾波器的要求。本方案采用的數(shù)字接口電路是具有2倍采樣43階FIR的低通插值濾波電路，相當(dāng)于增加了濾波器，阻帶抑制達(dá)到62 dB，因此調(diào)制輸出的信號(hào)頻譜特性得到了很大改善，通帶外的近端頻譜得到了很大抑制，對(duì)于高于轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的頻率，其濾波特性的周期性折疊。圖3為經(jīng)過(guò)插值數(shù)字濾波后的頻譜與原頻譜的對(duì)比，數(shù)字插值濾波電路的阻帶抑制使模擬濾波器有較寬的過(guò)渡帶，電路要求得以降低。

　　為簡(jiǎn)化電路，本方案采用了較簡(jiǎn)單的RC濾波電路，旁瓣抑制達(dá)到40 dB。

　　2.3 本振設(shè)計(jì)

　　本振電路產(chǎn)生射頻本振信號(hào)。由于正交相位調(diào)制對(duì)本振信號(hào)的性能要求較高，且本系統(tǒng)中采用直接射頻調(diào)制，為達(dá)到一定的載波泄漏控制，應(yīng)選擇差分輸出的本振電路。本方案選用ADF4360-1集成鎖相環(huán)(PLL)電路產(chǎn)生射頻本振。ADF4360-1是AD公司的一款集成VCO的完整鎖相環(huán)芯片，體積小，使用方便，性能可靠等特點(diǎn)。封裝僅有4 mm×4 mm，能夠輸出2 050～2 450 MHz的射頻信號(hào)，采用3線串行接口控制。

　　2.4 調(diào)制電路

　　調(diào)制電路主要完成直接射頻調(diào)制功能。它采用經(jīng)過(guò)濾波的雙路差分調(diào)制信號(hào)對(duì)射頻本振進(jìn)行調(diào)制。本設(shè)計(jì)選擇了AD公司生產(chǎn)的正交調(diào)制器AD8346，它是一款寬頻段正交調(diào)制器，工作頻段為800～2 500 MHz，具有調(diào)制精度高，噪聲電平低等特點(diǎn)，其相位誤差為1°，I，Q幅度不平衡度為0.2 dB，噪聲電平為-147 dBm/Hz。本項(xiàng)目使用頻率為2.2～2.3 GHz，通過(guò)合理電路布局和端口匹配，達(dá)到了較好的調(diào)制效果，實(shí)測(cè)矢量調(diào)制誤差為2%～3%。

　　2.5 放大電路

　　由于射頻調(diào)制后信號(hào)幅度較小，所以必須進(jìn)行有效的放大，以達(dá)到需要的功率。在本方案中采用了兩級(jí)射頻放大器，第一級(jí)采用HMC47 8MP86，第二級(jí)采用HMC457QS16G，兩級(jí)放大器的輸入輸出為50 Ω匹配，HMC478的增益高，噪聲系數(shù)低，線性度好;HMC457的輸出功率大，其1 dB壓縮輸出可達(dá)30.5 dBm。兩級(jí)放大器的增益共有41 dB，扣除級(jí)間匹配等損失，最終輸出29 dBm。兩級(jí)放大器都是Hittite公司的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，可以滿足-40～+85℃的溫度環(huán)境，并且都采用表面貼裝的封裝形式，抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)。

　　2.6 射頻濾波電路設(shè)計(jì)

　　射頻放大電路不可避免存在一定的非線性，會(huì)產(chǎn)生工作頻率的諧波，為降低帶外輻射，減小對(duì)其他系統(tǒng)的干擾，設(shè)計(jì)了微帶低通濾波電路，對(duì)諧波進(jìn)行抑制。

　　2.7 電源設(shè)計(jì)

　　電源電路用于將12 V非穩(wěn)壓輸入轉(zhuǎn)化為發(fā)射機(jī)各部件使用的5 V和3.3 V電壓。其中5 V為接口電路和放大電路供電，因耗電較大，而選擇了DC/DC轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換效率;3.3 V用于鎖相本振電路，采用線性穩(wěn)壓電路通過(guò)對(duì)5 V降壓得到，以降低紋波。在設(shè)計(jì)中分別采用了LT公司的LT3431和LT1962。在印制板布線時(shí)為減小電源紋波，對(duì)電源布線進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)化。

　　3 設(shè)計(jì)結(jié)果

　　本項(xiàng)目在一片φ75 mm的電路板上完成了電路設(shè)計(jì)，裝配完成后進(jìn)行了級(jí)間匹配調(diào)整。最終達(dá)到的指標(biāo)是：本振相位噪聲為-95dBc/Hz@1 kHz;本振雜散抑制為72 dBc;輸出信號(hào)功率為29 dBm;輸出信號(hào)EVM為5.5%。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本發(fā)射機(jī)已研制完成，通過(guò)高低溫、沖擊、振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)，參與了某低空遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)彈發(fā)射試驗(yàn)。在整個(gè)過(guò)程中，發(fā)射機(jī)的工作穩(wěn)定可靠，可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。