一種小型數字調相發射機

摘 要: 某低空遙測系統為提高抗地面多徑干擾的能力，采用了直序擴頻調制，需要使用四相調制(QPSK)發射機。該發射機與信號采集電路采用數字接口，通過采用差分正交調制提高了系統性能，降低了本振泄漏;通過采用射頻放大芯片將信號放大到29 dBm。經測試功率輸出端的信號調制矢量誤差(EVM)為5%。該發射機已經參與遙測系統的試驗，結果證明工作穩定。關鍵詞:一般選遙測;調相; 調制矢量誤差; 差分

中圖分類號:TN832.4-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0156-03

Compact Digital Phase Modulation Transmitter

ZHANG Kai-sheng， WANG Ning

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

Abstract: To enhance the ability of resisting multipath interference from ground， DSSS is applied in some low altitude telemetry， in which a QPSK transmitter is needed. The transmitter adopts a digital interface for the connection with the signal acquisition circuit. The system ferformance is improved by differential quadrature modulation which decreases the local oscillator leakage. The modulated signal is amplified to 29 dBm by RF amplification chip. EVM of signal at power output end is 5%. This transmitter has been used in the system experiment stably.Keywords: telemetry; PSK;EVM; differential

收稿日期:2010-06-23

以往在空空導彈遙測中多采用PCM/FM體制[1]，發射機為調頻方式，多工作于鎖相調頻方式[2]。某低空炮彈遙測系統為提高抗地面多徑干擾的能力，采用了直序擴頻調制，需要使用四相調制(QPSK)發射機。該發射機與信號采集電路采用數字接口，利用雙路差分輸出數/模轉換電路AD9761產生基帶I/Q信號，利用ADF4360-1鎖相環產生差分本振信號，利用AD8346進行差分正交調制，采用差分電路提高了系統性能，降低了本振泄漏，采用射頻放大芯片HMC478和HMC457將信號放大到29 dBm。經測試功率輸出端的信號調制矢量誤差(EVM)為5%。該發射機已經參與遙測系統試驗，結果證明工作穩定。

1 發射機常用調制方式

發射機調制方式常用中頻調制和射頻直接調制2種方式[3]。中頻調制是在較低的中頻上進行調制后，再通過混頻等頻率變換，把該中頻信號搬移到需要的發射載波頻率上去。對射頻的直接調制是在需要發射的射頻頻率上進行的，直接把基帶信號調制到射頻載波頻率上，沒有變頻環節。兩種調制方式各有優缺點，主要對比見表1。

表1 兩種調相發射機方案對比

方案優點缺點

中頻調制+上變頻中頻調制器易于設計、制造，性能指標較高結構復雜，體積大，成本高

射頻直接調制結構簡單，體積小，成本低適應頻率受限，載波抑制度較低，調制頻譜的通帶外滾降速率低

由于中頻調制一般是在較低的頻率上進行的，調制器的選擇范圍大，易于實現，并且由于變頻環節的存在，對調制的直流分量和載波泄露都有較好的抑制。但因采用了變頻環節，所以相對直接射頻調制需要增加混頻器、濾波器和一級本振，提高了系統復雜度，增加了系統成本，可靠性也有所降低。同時由于中頻頻率較低，難以實現較高的調制帶寬。

射頻直接調制的方法具有系統簡單可靠，調制帶寬寬，器件少，成本低等優點，比較適合高數據率、小體積等場合的應用需要。但存在適應載波頻率受限，載波泄露較大，對本振要求要較高等問題，在對載波泄漏、帶外衰減的要求嚴格時難以滿足指標要求。

2 發射機設計

本系統工作在遙測專用的S波段，一般情況下用戶數有限，對于載波泄漏和帶外衰減要求不太嚴格，而本系統關鍵問題是遙測艙可用空間小，需要抗很強的炮彈發射過載，因此本方案選用射頻直接調制方式。本發射機本振和I，Q信號都采用差分輸出方式，利用差分接口的調制器實現調制，較好地抑制了電路中的共模干擾。

圖1為發射機原理框圖。基帶信號經濾波對射頻本振進行調制，而后經射頻放大、低通濾波器除諧波輸出。

圖1 發射機原理框圖

2.1 數字接口設計

因前端數字電路可直接輸出差分的I，Q數字信號，因此設計初期在發射機中未設計數字接口電路，直接由前端數字電路輸出的差分I，Q信號對射頻本振進行正交調制，但經實際試驗，調制特性太差，主要原因在于數字電路輸出與調制器難以匹配。因此對其進行了改進，在發射機內加入了由AD9761雙路差分輸出DAC構成的接口電路。該電路具有40 MSPS轉換速率(單路40 MSPS)、10 bit DAC、雙路差分轉換輸出，并且具有2倍采樣插值濾波功能。該電路輸出為電流模式，能夠實現與調制器的良好匹配[4]。

2.2 基帶濾波電路設計

符號速率為1 MHz的隨機序列頻譜如圖2所示。對信號進行濾波可以對邊帶信號進行抑制，減小帶寬的占用。如果采用模擬濾波則需要的濾波器階數很高，這會增大濾波器的體積，降低環境的穩定性。采用數字濾波技術可以很方便地實現高階濾波，對近端帶外信號進行抑制，降低對模擬濾波器的要求[5]。本方案采用的數字接口電路是具有2倍采樣43階FIR的低通插值濾波電路，相當于增加了濾波器，阻帶抑制達到62 dB，因此調制輸出的信號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，對于高于轉換時鐘的頻率，其濾波特性的周期性折疊。圖3為經過插值數字濾波后的頻譜與原頻譜的對比，數字插值濾波電路的阻帶抑制使模擬濾波器有較寬的過渡帶，電路要求得以降低。為簡化電路，本方案采用了較簡單的RC濾波電路，旁瓣抑制達到40 dB。

2.3 本振設計

本振電路產生射頻本振信號。由于正交相位調制對本振信號的性能要求較高，且本系統中采用直接射頻調制，為達到一定的載波泄漏控制，應選擇差分輸出的本振電路[6]。本方案選用ADF4360-1集成鎖相環(PLL)電路產生射頻本振。ADF4360-1是AD公司的一款集成VCO的完整鎖相環芯片，體積小，使用方便，性能可靠等特點。封裝僅有4 mm×4 mm，能夠輸出2 050～2 450 MHz的射頻信號，采用3線串行接口控制[7]。

圖2 隨機數字信號D/A輸出頻譜特性

圖3 插值濾波特性

2.4 調制電路

調制電路主要完成直接射頻調制功能。它采用經過濾波的雙路差分調制信號對射頻本振進行調制。本設計選擇了AD公司生產的正交調制器AD8346，它是一款寬頻段正交調制器，工作頻段為800～2 500 MHz，具有調制精度高，噪聲電平低等特點，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。本項目使用頻率為2.2～2.3 GHz，通過合理電路布局和端口匹配，達到了較好的調制效果，實測矢量調制誤差為2%～3%[8]。

2.5 放大電路

由于射頻調制后信號幅度較小，所以必須進行有效的放大，以達到需要的功率。在本方案中采用了兩級射頻放大器，第一級采用HMC478MP86，第二級采用HMC457QS16G，兩級放大器的輸入輸出為50 Ω匹配，HMC478的增益高，噪聲系數低，線性度好;HMC457的輸出功率大，其1 dB壓縮輸出可達30.5 dBm。兩級放大器的增益共有41 dB，扣除級間匹配等損失，最終輸出29 dBm。兩級放大器都是Hittite公司的工業級產品，可以滿足-40～+85 ℃的溫度環境，并且都采用表面貼裝的封裝形式，抗沖擊振動能力強[9]。

2.6 射頻濾波電路設計

射頻放大電路不可避免存在一定的非線性，會產生工作頻率的諧波，為降低帶外輻射，減小對其他系統的干擾，設計了微帶低通濾波電路，對諧波進行抑制。

2.7 電源設計

電源電路用于將12 V非穩壓輸入轉化為發射機各部件使用的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轉換電路，以達到較高的轉換效率;3.3 V用于鎖相本振電路，采用線性穩壓電路通過對5 V降壓得到，以降低紋波。在設計中分別采用了LT公司的LT3431和LT1962[10-11]。在印制板布線時為減小電源紋波，對電源布線進行了詳細的優化。

3 設計結果

本項目在一片Ф75 mm的電路板上完成了電路設計，裝配完成后進行了級間匹配調整。最終達到的指標是:本振相位噪聲為-95 dBc/Hz@1 kHz;本振雜散抑制為72 dBc;輸出信號功率為29 dBm;輸出信號EVM為5.5%。

4 結 語

本發射機已研制完成，通過高低溫、沖擊、振動等環境試驗，參與了某低空遙測系統實彈發射試驗。在整個過程中，發射機的工作穩定可靠，可以達到設計目標。

參考文獻

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[11]Linear Technology Corporation Ltd.. LT1962數據手冊[DB/OL].[2010-06-11].http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1962fas.