星间太赫兹通信发射系统初步方案设计

郝志松，张文静

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

太赫兹波通过大气时，由于水蒸气的影响，衰减严重，但在大气层外的太空，对太赫兹波具有强吸收的水分等物质非常稀薄，因此太赫兹电磁波可作为信息载体，用于卫星之间、卫星与飞船或太空探测器之间的高速数据通信［1］。

太赫兹电磁波可作为星间宽带信息载体，相对于微波通信，具有通信容量大、抗干扰能力强以及收发设备尺寸小等优点;相对于光通信，具有能量效率高和穿透力强等优点。太赫兹星间数据传输具有显著的优势，但截止目前为止，国内关于太赫兹空间通信的研究成果还非常少，最主要的原因是由于传统的电子学和光学的技术和器件都不能完全满足太赫兹波的需求，不能直接应用到太赫兹通信，因此需要结合两方面的知识，开发全新的技术和元器件［2］。

为了进行太赫兹宽带通信功能演示，设计了一种星间太赫兹通信发射演示系统方案，为太赫兹技术应用于通信领域提供技术参考。

1 总体设计

太赫兹高速通信演示系统在室内进行功能演示，传输距离为100 m，码速率为1.2 Gbps，采用QPSK调制方式和编码效率为7/8的LDPC编译码;根据演示环境的信号衰减情况，传输载波频点为344 GHz;经过链路预算，确定发射的天线增益为50 dB，可满足系统要求。发射演示系统的原理框图如图1所示。

图1 发射演示系统功能框图

发射演示系统的数据源由误码仪产生，误码仪通过并行方式发送伪随机序列至信道编码器，编码器进行信道编码后，由调制器进行符号映射并对X频段载波进行调制，最后经过发射组件输出太赫兹调制信号。在发射端可通过示波器观测基带映射信号的星座点，通过频谱仪和频率扩展器件观察太赫兹信号频谱。

1.1 LDPC信道编码器设计

采用码长为8176 bit，码率7/8的LDPC码，编码增益为6 dB。在编码器中，首先将以并行输入的4路数据进行串并转换，分为8路，然后将8路数据分为2组，每4路分别采用1个子编码器进行编码，每个子编码器可以通过内部并行实现同时处理4路数据。编码完毕后，将每个子编码器的输出各自合并为1路，分别作为调制器的I、Q 2路输出。实现框图如图2所示。

图2 LDPC编码框图

1.2 调制器设计

图3 微波调制器原理框图

X频段的本振源中有60 MHz参考信号送入锁相环芯片ADF4113，该锁相环路直接采用20 MHz鉴相频率，压控振荡器选用通用的低噪声VCO，相位噪声指标优良;锁相环路输出的信号进入倍频器，然后经过一个微带交指滤波器，以便提纯出8 GHz本振信号;为了正交混频器提供足够的本振电平，需要在滤波后加一级放大器，以得到功率为13 dBm的本振电平。

经过仿真，锁相环路的带宽取4.2 kHz，相位裕量为50°，相位噪声指标可达到以下要求:

-71 dBc/Hz@100 Hz;

-79 dBc/Hz@1 kHz;

-91 dBc/Hz@10 kHz;

-112 dBc/Hz@100 kHz;

-124 dBc/Hz@1 MHz。

10月21日下午，《妈妈宝宝》杂志携手月喜月子会所在上海举办“科学喂养”主题沙龙。婴儿时期生长发育迅速，是人一生中身心健康成长的重要时期，因此，给予婴儿科学喂养至关重要，通过本次活动，现场教授孕妈妈科学喂养的知识和方法，避免婴儿喂养常见的误区，让孕妈妈们大呼受益匪浅。

经过正交调制后的信号采用模拟的带通滤波器进行频谱成形。

1.3 发射组件设计

发射组件由X频段功率放大器、谐波混频器、本振源及太赫兹频段滤波器等元件组成，详细的方案框图如图4所示。

图4 发射系统实现初步方案

采用次谐波混频器，可降低本振频率，且不必在输入端加入本振和中频信号的合路器。采用VDI公司型号为WR2.8SHM的混频器，要求的本振输入功率为3 mW，插损小于9 dB，噪声温度在600～1200 K之间，采用波导接口与抛物面天线连接。

中频信号混频采用低中频方案，频谱在混频器本振左右会出现镜像频谱，由于在太赫兹频段滤波器阻带抑制指标一般都不是很理想，约在6 dB，为了解调时不影响解调性能，解调必须采用高本振进行下变频，以确保带内频谱不混叠。

变频本振源采用VIVA公司的产品WTPLO_05锁相震荡源，功率达到10 mW，满足混频器对本振的驱动能力要求;相位噪声在100 kHz时，达到-93 dBc/Hz，达到一般恒温晶振的相噪水平。

滤波器选用VDI公司的定制产品，或采用国内相关课题的研究成果。VDI公司的太赫兹滤波器可以做到载波频段的10%的带宽，阻带抑制能大于6 dB，可初步满足系统要求。

1.4 天线设计

太赫兹天线原理样机主要由天线主、副反射面，馈源网络及支撑座架组成。其中，座架具有方位和俯仰方向的角度手动调整功能，方便原理样机的测试验证。

天线形式采用卡塞格伦形式，天线增益不低于50 dB，副瓣电平小于-30 dBc。为了提高天线性能对天线主副反射面进行赋形。赋形设计时馈源的辐方向图采用实测的近场方向图，天线口面场分布函数为高斯函数形式，采用几何光学法对主副面进行赋形。

传统的圆口径抛物面天线为了实现较高的口面效率一般采用波纹圆锥喇叭。波纹喇叭具有在较宽的频带内实现波束宽度不变、旋转对称、低反射损耗和低交叉极化的辐射性能，是目前反射面天线最佳的匹配组合。但是，波纹喇叭的加工复杂，工艺要求较高。尤其是在高频段，由于相关加工尺寸过小，加工困难。

多模圆锥喇叭可以在5%～12%带宽内实现波束旋转对称以及高效率照射。而且多模圆锥喇叭结构简单，易于加工，更容易实现在太赫兹频段的使用。因此，初步选择多模圆锥喇叭作为太赫兹天线的初级馈源。

按照使用频段设计了一个多模圆锥喇叭，在天线馈源17°照射角内E面和H面实现了等化，可以实现较高的照射效率。因此利用多模圆锥喇叭在太赫兹频段可以实现等化照射，而且由于多模喇叭加工容易，所以是太赫兹频段天线初级馈源的首选。

2 需要解决的问题

2.1 高速信道编码器的时序设计

高速信道编码在FPGA内实现，由于信号处理的主频较高，需要保证各信号处理模块之间正确的时序关系，即时钟到每个时序器件的时延相等，因此采用公共时钟时序约束和调整技术，解决各元器件间的时序配合问题。

2.2 如何保证宽带调制器正交特性

宽带调制器的正交特性，直接影响数传系统的误码率性能。信号带宽变宽后，幅度平衡性和相位正交性设计难度加大，需要采用时延控制元件，优化微波电路正交两路信号的幅度和时延［4］。

2.3 如何调整天线的方位角度

如果要达到太赫兹天线的增益要求，波束角度只有1°，进行系统联试时，存在天线的捕获对准问题。因此需要设计伺服系统，使天线的方位和俯仰角度可调;另外，需设计天线对准的误差提取方案，进行天线对准偏差的测量。

3 关键技术

3.1 LDPC码时序调整技术

由于LDPC编码［5］的码速率较高，即使采用了并行方式，数据处理的最高时钟速率也达到300 MHz。采用FPGA内部时序约束和面积约束相结合的方式，进行电路时序设计;采用公共时钟处理，保证时钟源到每个触发点的时延差在100 Ps以内［6］。对于采用约束方式仍然不能达到要求的部分电路，采用FPGA内部底层调整的方式，手动调整电路中元器件位置和信号路径。为了获得一定的调整空间，FPGA内部资源的消耗控制在60%以内。

3.2 宽带正交调制技术

模拟乘法器、正交混频器、90°电桥以及合路器由单片的集成电路实现，由于微波频率高、信号带宽宽，电路中载波泄漏、幅度不平衡和正交相位误差就更加突出。为了提高微波调制器精度、减小矢量误差，准备采用如下技术:首先是在I/Q电路中增加幅度和相位可控元件，以外部电压精确控制调制器的精度，由于控制特性通常是单调变化的，因此有可能实现自适应控制;再者是在I/Q的内部电路设计中，保证混频器、正交功分器及同相功率合成器各端口匹配良好，驻波小并有足够的隔离度;最后是在应用中，应保证I、Q端口从直流至3倍于载波频率的频带内匹配良好，如在紧靠端口位置插入3～6 dB的电阻衰减器;此外，在采用4象限模拟乘法器的I/Q调制器中，各端口采用差分模式有利于减小矢量误差，并抑制共模噪声。经过以上措施，宽带基带信号可直接调制到中频，正交调制器的相位不平衡在±3°以内，幅度不平衡在±1 dB以内，载波抑制度应达到20 dB以上。

3.3 天线方位角度调整

天线座选用方位-俯仰(A-E)2轴结构形式。主要由方位和俯仰2大部分组成。方位部分由底座、方位轴、方位大齿轮及方位驱动等装置组成。方位底座采用铝合金铸件结构，它是整个天线座的支撑机构。方位底座中心安装方位转轴。俯仰部分由俯仰支架、左右轴承座、俯仰驱动及俯仰扇形齿轮等机构组成。方位和俯仰均设置有手轮，可以手动调节天线的方位俯仰角度。

4 性能测试结果分析

LDPC信道编码器和微波正交调制器的设计已完成，可测试到X频段频谱和基带数据的星座点。X频段调制信号的码速率达到1.2 Gbps、EVM达到4%以下，指标均符合设计要求。

X频段已调制信号的输出功率为5 dBm，比设计预计值高2 dBm，主要原因是X频段输出口没有加入匹配电阻。在实际的发射演示系统中，为了和后端的发射组件进行良好的匹配，需要X频段正交调制器输出端加入2 dB的衰减器。此时X频段信号的功率将为3 dBm，同设计时的预计值一致。

以上是对已设计完成的部分环节的测试结果分析，太赫兹发射系统的整体指标测试和分析将在太赫兹宽带通信演示系统全部研制完成后进行。

5 结束语

太赫兹空间通信具有显著的优势，但截止目前为止，关于太赫兹空间通信的研究成果还非常少，最主要的原因是由于传统电子学和光学的技术和器件都不能完全满足太赫兹波的需求，不能直接应用到太赫兹通信，因此需要结合两方面的知识，开发全新的技术和元器件。但随着高功率的太赫兹光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性系统技术的日益突破，具有众多优势的太赫兹空间通信取得突破必将指日可待。

星间太赫兹通信发射演示系统方案是在现有元器件技术水平上，探讨一种采用宽带正交调制、谐波混频、太赫兹天线设计和组件集成等技术搭建的星间太赫兹通信发射系统的方案，为太赫兹技术在通信领域的应用提供参考。

［1］初洪娜.关于太赫兹通信技术的综合分析探讨［J］.高新技术产业发展，2011(14):34-35.

［2］姚建铨，迟楠，杨鹏飞.太赫兹通信技术研究与展望［J］.中国激光，2009，36(9):25-27.

［3］王成，林长星，邓贤进，等.140 GHz高速无线通信技术研究［J］.电子与信息学报，2011，33(9):2263-2266.

［4］陈晓峰，孟景涛.卫星信道模拟器的设计［J］.无线电工程，2011，41(8):51-54.

［5］PROAKIS J G.Digitial Communications(Fourth Edition)［M］.张力军译.北京:电子工业出版社，2007.

［6］刘会红.并行数字匹配滤波器设计［J］.无线电工程，2011，41(7):62-64.