基于零中頻的新型調制體制遙測發射機設計

趙宇鑫，王 樂，齊建中

(北方工業大學 電子信息工程學院，北京 100144)

0 引言

遙測遙控系統是航空航天的重要分系統之一，包括遙測、遙控、外測分系統，主要實現遙測參數傳送、外彈道測量、試驗級落點實時預測等功能，并通過為用戶提供圖像及試驗數據、遙控指令傳送服務[1]。其中遙測部分是所有系統的基礎，完成數據信號的采集、加密、編碼和傳輸等流程，而其中信號傳輸更是重中之重。隨著遙測通信技術的發展以及器件制作工藝水平的提高，遙測發射機朝著占用帶寬小、傳輸速率高、結構簡單、功能多樣、可拓展性強的方向發展，強調采用最少的器件，以最簡單的硬件為通用平臺，實現帶寬的最大化利用，并且盡可能通過軟件控制實現發射機多樣化的功能。根據這一發展方向，本文設計并實現了一種正交上變頻體制、CPM調制方式的發射機，采用正交上變頻體制可以有效地簡化結構、節省空間。CPM調制方式具有恒包絡、頻譜利用率高、主瓣外衰減快、帶外功率比小和相鄰信道干擾弱等優點。鑒于以上優點，近年來CPM技術在遙測領域逐漸得到了應用。本文研制的發射機相較于傳統的超外差體制FM發射機，體積減小30%，成本大幅度降低。新型CPM調制體制較PCM/FM體制頻帶利用率更高，通過增加M元序列符號、減小調制指數以及選擇平滑的脈沖調制指數，與傳統發射機相比，可以實現功率譜密度窄約50%。

1 零中頻發射機結構分析

目前比較常用的發射機結構包括：超外差發射機、數字中頻發射機和零中頻發射機。超外差體系結構被認為是最可靠的接收機拓撲結構，通過適當地選擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈敏度[1]。現今我國遙測遙控發射機體系廣泛使用超外差體制，其發射機結構圖如圖1所示。

圖1 超外差體制發射機結構

傳統的超外差體制，考慮到實現流程復雜，使用模擬分離元件較多，鏈路占用體積大，無法滿足產品小型化的需求；且超外差體制使用多級聲表濾波器、介質濾波器，產品成本難以控制。結合這些原因，超外差體制已經越來越不適應現今的環境。

由于軟件無線電技術的迅速發展，改進型的發射機多采用FPGA進行數字變頻以取代模擬基帶部分完成數字上變頻，可以依據輸入信號不同速率調節頻偏、濾波器帶寬等參數，實現產品的可拓展性。數字中頻的方式相比于傳統的超外差體制進行了優化。由于FPGA的加入，極大地增加了設備的可拓展性，但是結構較復雜的問題依然存在[2]。隨著半導體工藝的進步，正交調制直接上變頻這一技術得到了迅速的發展和廣泛的應用，零中頻體制是對超外差體制的改進，采用直接變頻的方式，可省去模擬中頻部分，進一步簡化設計。零中頻發射機的結構如圖2所示。

圖2 零中頻體制發射機結構

零中頻體制的發射機，數字基帶部分輸出的I/Q兩路調制信號經過DAC器件轉換為模擬信號，然后經由低通濾波器濾波，濾除信號高頻諧波；輸出信號分別與2路90°相位差的本振信號混頻，而后疊加，轉換成模擬射頻信號輸出，實現頻譜的搬移。該方式具有如下優點：

① 系統流程簡單，復雜度低，集成電路中易于實現；

② 一次變頻，不存在中頻，無需考慮鏡像頻率濾除，減少對濾波器的需求，削減成本；

③ 信號為零中頻信號，占用帶寬僅為已調信號的一半，這意味著接收機的噪聲通帶比常規的外差接收機少一半，使接收門限電平改善3 dB[3]。

綜合考慮上述因素，本設計采用零中頻體制進行設計。

2 發射機軟硬件設計

基于FPGA零中頻發射機的硬件整體框架主要可分為3部分：數字基帶模塊、模擬基帶模塊和模擬射頻模塊。數字基帶模塊主要實現將外部輸入的Rs422數據進行數字調制，經由數模轉換芯片輸出模擬調制信號，再通過低通濾波器，濾除高次諧波，最終將模擬調制基帶信號送進正交調制器件與本振信號混合完成上變頻；射頻模塊主要由射頻放大器及介質濾波器構成，以此來完成對射頻信號的放大和濾波。

2.1 數字基帶模塊的設計與實現

數字基帶部分主要是完成信號的調制，將接收到的數據進行CPM數字調制，輸出數字信號經過數模轉換器、低通濾波器后輸出[4]。

2.1.1 基帶部分硬件實現

輸入的Rs422信號經過半雙工Rs-422收發器MAX3062EEKA，將輸入差分信號轉換為單端信號，接下來經過電平轉換芯片SN74LVC4245A將信號轉換為FPGA對應I/O管腳所需電平標準，輸入信號包括數據信號和與其對應的時鐘信號2路。

FPGA 作為發射機的核心處理器，采用Xilinx公司的XC4VSX35-10FFG668I硬件平臺，實現CPM調制功能。Virtex 系列FPGA屬于Xilinx公司的高端產品，該系列FPGA具有豐富的可用資源，如可編程輸入輸出單元(IOB)、可配置邏輯塊(CLB)和數字時鐘管理單元(DCM)等。其配置是通過被用作不同模式接口的特定引腳將程序中的比特流加載到內部存儲器。由于Xilinx公司FPGA內部不具有存儲功能，因此必須在重加電過程中加載外部存儲器中的程序來完成。Virtex-4系列FPGA可以對特定引腳M2，M1，M0外部電路做上下拉處理，以此設置適當電平來完成FPGA工作模式的選擇。這里選用主串模式，對應的FPGA配置引腳M2，M1，M0均設置為低電平，CCLK管腳作為輸出使用，為程序存儲單元提供讀取存儲數據的時鐘，完成上電代碼的加載流程[5]。

2.1.2 Multi-h CPM調制的軟件實現

Multi-h CPM調制信號的表達式為：

(1)

式中，ai為四進制碼元，每2個比特輸入數據bkbk+1映射為一個符號ai，規則如表1所示；T為符號周期，是數據周期的2倍；hi為一組調制指數，包含h1=4/16和h2=4/16兩個調制指數，h1和h2以符號周期為單位交替出現；q(t)為相位脈沖，表達式為[6]：

(2)

式中，g(t)為頻率脈沖函數，根據IRIG—106—15標準[7-8]，

(3)

映射關系如表1所示。

表1 數據映射規則

bkbk+1ai11+310+101-100-3

可以推導出，當L=3時，φ(t，a)如式(4)所示[9]：

nT

(4)

對一個符號進行M倍采樣，假設第n個符號的調制指數對應為h1，那么第n個符號的第m個采樣點的相位如式(5)所示[10-11]：

(5)

利用數字電路實現Multi-h CPM調制的框圖[12-13]如圖3所示。

圖3 Multi-h CPM調制電路

2.2 基帶模塊模擬電路的設計與實現

基帶模塊的模擬電路主要實現將基帶模擬調制信號進行處理，與本振信號混合，完成正交上變頻的工作[14]。

首先將零中頻的調制數據經過低通濾波器濾除高次諧波，低通濾波器使用ADS軟件進行仿真設計，選擇使用七階切比雪夫濾波器[15]，通帶截止頻率設置為0.85倍碼速率，通帶最大衰減系數設置為1 dB，阻帶截止頻率設置為3倍碼速率，阻帶最小衰減系數設置為25 dB。通過以上參數確定低通濾波器硬件電路。實際設計濾波器為12 MHz帶寬的濾波器，帶內平坦度優于1 dB，帶外抑制在60 MHz頻率處為48 dBc，滿足帶外抑制要求[16]。

經過低通濾波器的I/Q兩路信號給到模擬正交調制器(AQM)中，將復合I+j×Q基帶信號轉換為射頻(RF)。AQM內含1個本機振蕩器(LO)輸入、1個90°相位差的分相器、2個混頻器(每個混頻器將基帶信號混頻為射頻)以及1個加法器[17-18]。

本振部分采用的是ADF4360系列芯片，外圍電路依照芯片手冊設計，該芯片需要自行設計的部分是環路濾波器(LPF)，鎖相環屬于閉環控制系統，環路濾波器決定了鎖相環(PLL)的性能，起到了維持環路的穩定性、控制帶內外噪聲與雜散、防止VCO調諧電壓突變的作用。在本文設計中，環路濾波器用的是無源濾波器，ADI公司為其芯片提供ADIsimPLL軟件，該軟件可以對環路濾波器進行設計和仿真，極大地簡化了設計[19]。軟件設計流程：首先需要選擇使用的器件，然后進入參數設置部分，需要設置的參數有工作頻率范圍、鑒相頻率、環路濾波器電路選擇、參考晶振頻率以及環路帶寬，設計選用三階環路濾波器[20-21]。

本振信號與基帶信號共同給到正交調制器中，輸出結果即為中心頻率為本振設置頻點的調制信號，至此就完成了射頻基帶部分的工作。

2.3 射頻模塊的設計與實現

該模塊主要實現將射頻基帶部分輸出的射頻信號進行放大、濾波，然后輸出[22]。

信號放大部分使用ABA32563芯片，其主要電氣性能指標如表2 所示。

表2 射頻放大器ABA32563電氣性能指標

參數最小值典型值最大值工作頻率/GHz02.5增益/dB181920輸入回波損耗/dB-21輸出回波損耗/dB-20P1dB/dBm8.4OIP3/dBm19.5噪聲系數/dB3.5

ABA32563器件封裝小、外圍電路簡單，可有效節省印制板空間，優化發射機布局方案，提高空間利用率。為防止超過壓縮點，需對增益大小進行合理分配。由于實際輸出信號強度和理論值有一定偏差，在每一級放大器的前端和后端均設計了一個π型衰減器，用于調整射頻鏈路的增益并改善輸入輸出阻抗匹配[23]；

介質濾波器采用定制的器件，抑制帶外信號，防止帶外信號過強干擾接收設備。輸出的信號經過SMA接插件連接功放，經天線發射出去，就完成了整個發射機鏈路的設計。

3 樣機技術指標測試

依據選擇的器件和設計指標，按照PCB布局布線等要求，設計并實現了零中頻發射機的實物，如圖4所示。

圖4 零中頻發射機工程樣機實物

先進體制數字遙測發射機設計與仿真完成后，需要對樣機各項指標進行測試，并針對實際測試結果進行分析和調試，測試儀器主要使用的ROHDE&SCHWARZ公司的矢量信號發生器SMJ100A以及Agilent 公司生產的信號分析儀N9020A MXA進行測試。

通過矢量信號發生器輸出10 MHz碼速率的Rs422偽隨機碼數據、時鐘信號，給到板卡輸入端，經過調制后的信號輸出通過射頻同軸線接到信號分析儀上，測試輸出信號的頻譜、帶內雜波等參數指標，測試結果如圖5所示。

測試結果表明，所研制的零中頻發射機能實現對編碼信號的調制、上變頻、放大，輸出結果可以被接收機準確無誤的接收到，雜波抑制度在±2Rs(碼速率)、±2.5Rs處優于50 dBc，滿足要求；且設備無帶外雜波，不會對其他頻段造成干擾。

圖5 Multi-h CPM調制信號頻譜測試結果

4 結束語

提出了一種Multi-h CPM調制體制的零中頻發射機設計方案，并由此完成了發射機的設計和實現。經過多次測試，該發射機設計正確無誤，能夠達到預期的性能指標。本文設計的Multi-h CPM調制體制零中頻發射機具有調制體制先進、體積小、功耗低和擴展性強等特點，可應用于未來新型無線遙測遙控系統中。