一种用于卫星通信的Ka频段直接调制器设计∗

王冬冬， 刘德喜， 何彩分， 沈 鹏

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

一种用于卫星通信的Ka频段直接调制器设计∗

王冬冬， 刘德喜， 何彩分， 沈 鹏

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

分析直接调制技术的优点，阐述其原理和指标。在此基础上设计一种基于谐波混频方式实现的Ka频段直接调制器，并对实物进行测试验证。实测结果表明，直接调制器的性能指标均满足工程要求，可直接应用于卫星通信系统中。

Ka频段； 直接调制； 正交混频器； QPSK调制； 8PSK调制

引 言

随着卫星的各类应用载荷的蓬勃发展，其传输的信息量正高速增长，数据率越来越高，调制频率和带宽也随之提高和增加，而通信系统设备体积和功耗的限制对调制技术提出了更严苛的要求。微波直接调制方案可有效解决上述问题，它成为卫星通信系统应用发展的必然趋势。

1 直接调制技术

1.1 直接调制技术优点

相位调制(如BPSK、QPSK、8PSK等)是目前卫星通信系统中广泛使用的调制体制。

传统的调制方案为，信号先进行数字基带到中频的调制，再上变频至射频段后，送至放大器，经天线发出。而直接调制技术只需一次变频，由本振源产生射频段的载波，将数字基带数据直接调制到载波频率上，即减少了一个本振源和上变频器，从而有利于调制器与本振源、放大器等集成一体化设计，可有效降低电路复杂度和成本，减少系统设备量和体积，降低功耗，简化后系统可靠性也大大提高。同时，由于直接调制器载波频率高，因而可承载高速率数字基带信号，这就解决了传统的中频调制器限制最高数据传输速率的问题。

1.2 直接调制技术原理

采用直接调制技术实现QPSK/8PSK调制器的方法有多种，以QPSK为例就有两种实现方式[1]，分别为相位选择法和调相法，其原理如图1和图2所示。

相位选择法由于开关管开关时间有限，不适用于高速率的基带数字信号，且调制后信号存在较大的邻道干扰功率。

图1 相位选择法

图2 调相法

卫星通信系统均为带限系统，若要处理高速率基带信号，则采用调相法，通过IQ正交调制器实现BPSK/QPSK(SQPSK)/8PSK等多种调制。原始信息数据经串并转换后，由符号映射产生I、Q两路基带信号，送入IQ正交调制器。在调制器内部，由I、Q两路信号分别对两路正交的载波信号进行调制，相加后得到调制信号。

1.3 指标分析

卫星通信系统大多采用QPSK(SQPSK)/8PSK调制方式，IQ调制器的邻近信道功率电平(ACPL)、误差矢量幅度(EVM)、载波抑制比是工程应用的重要指标。

因IQ调制器是线性模式，调制后频谱包络不发生改变，所以可在基带输入时加数字成形滤波器(如一定滚降系数的升余弦滤波器)，实现无码间干扰的带限传输，并有效抑制基带信号的谐波分量，如此，邻近信道功率电平将大大降低。

误差矢量幅度和载波抑制比主要取决于调制器的设计和加工精度。

误差矢量幅度用于描述调制信号质量，是实际调制输出信号与理想调制信号的矢量误差。根据IEEE802.16的定义，它可用信号矢量最大幅度归一化值来表示。实际中EVM是以百分比值来描述，百分比值越小，EVM指标越好，调制信号质量越好。当正交混频器的I、Q两路信号存在增益、相位不平衡时，EVM指标变差。

载波抑制比是调制输出信号中载波功率与实际调制信号功率之差，多用dBc表示。理想情况下，IQ调制器输出信号中载波信号是被抑制的，但当存在I、Q路直流偏差时，本振信号不能得到完全抑制，调制信号输出会存在不需要的载波分量，由于本振信号在调制信号的通带内，因而该载波分量不能被滤波器滤除。

2 Ka频段直接调制器设计方案

实际卫星通信系统需根据使用要求权衡选择调制方式。为降低系统设备复杂度，抗干扰能力是首要的考虑因素，一般选择BPSK方式；如果要提高信道带宽利用率，可选择QPSK方式，其抗干扰能力与BPSK相当，但设备复杂度略有增加；如果要进一步提高信道带宽利用率，则选择8PSK方式，但其抗干扰能力较BPSK、QPSK有所下降。调制器的矢量误差使得调制信号偏离正确位置，存在一定的载波泄漏，影响地面解调过程中数据的正确判读，造成误码率恶化。在工程应用中，对发射信号调制特性的要求一般为相位误差在4°以内，幅度误差在6%以内，载波抑制比30dBc以上。

本文设计采用IQ谐波混频器[2，3]实现Ka频段直接调制器的功能，本振频率降为工作频率(基波频率)的1/2进行混频，方案如图3所示。

采用谐波主要是因为基波混频需产生一个Ka频段本振信号，实现难度大，成本高，而采用谐波混频形式，可降低对本振频率的要求，简化频率综合器的设计。混频器采用反向对接的肖特基二极管对实现。

图3 Ka频段直接调制器

二极管的I-V特性关系为

式中，IS为二极管的反向饱和电流；α＝q/n k T，q为电子电量，n为二极管的理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

二极管对的电流为

将i(t)对电压v求导数，得到电导g(t)如下

当大信号载波V＝VLOcosωLOt和低电平基带信号VIF＝VScosωSt作用于二极管对时，利用n阶贝塞尔函数公式对i(t)、g(t)进行傅立叶级数展开，得到混频电流i(t)如下

混频电流中只有本振偶次谐波与基带的组合频率分量，如2ωLO+ωS、4ωLO+ωS等，实现了谐波混频。此时二极管对的电流i(t)傅立叶展开式中不含载波频率的偶次分量，即消去载波信号的所有偶次谐波，有利于提高对本振泄漏的抑制。

本方案中实现I、Q两路相位偏移90°是在混频后的射频端，即采用了90°合路电桥。未在载波支路移相主要是因为，采用二次谐波混频，I、Q两路载波相位需偏差45°，为此一般采用微带传输线移相，而移相器的精度直接影响调制器的性能，这给设计频率带宽和调试带来了较大的麻烦，不利于工程实现。

载波信号经本振驱动功率放大器后由同相功分器一分为二，两路相位一致，分别送至I、Q路混频器的本振端口。

同相和正交支路混频器的变频损耗、相移特性应一致，90°合路电桥应具有较好的幅度平衡性和较高的相位精度，各端口应匹配良好，从而有利于减小矢量误差，实现高精度调制器。

3 测试结果

基于卫星通信系统应用，对图3设计方案制作的Ka频段直接调制器进行实物测试，测试条件为450Mb/s、1.2Gb/s速率QPSK调制方式和600Mb/s、1.5Gb/s速率8PSK调制方式。测试时采用内部数据源模拟串并转换后的原始信息，经过符号映射、I/Q分路后送入Ka频段调制器完成调制，用矢量信号分析仪对实际调制信号的星座图和性能指标进行分析，如图4～图7所示。各项指标测试结果见表1。

图4 Ka频段已调信号450Mb/s速率QPSK星座图

图5 Ka频段已调信号1.2Gb/s速率QPSK星座图

图6 Ka频段已调信号600Mb/s速率8PSK星座图

图7 Ka频段已调信号1.5Gb/s速率8PSK星座图

表1 调制指标测试结果

4 结束语

本文设计了一种基于谐波混频方式的Ka频段直接调制器，并进行了实物测试。测试结果表明，该直接调制器性能良好，具备高可靠性、小体积、低功耗和低成本等特点，适用于卫星通信系统，可有效降低系统复杂度，提高数据传输能力，具有广阔的应用前景。

[1]李白萍，吴冬梅.通信原理与技术[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2]Lin Weiheng，ChangWeilun，Tsai Jenghan，Huang Tianwei.A 30-60GHz CMOSSub-harmonic IQ De/Modulator for High Data-Rate Communication System Applications[C]//IEEE Radio and Wireless Symposium，2009.

[3]Matsushita K O，Bunsen K，Murakami R，Musa A，Sato T，Asada H.A 60GHz 16QAM/8PSK/QPSK/BPSK Direct-Conversion Transceiver for IEEE802.15.3c[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2011，46：2988～3004.

王冬冬 1982年生，硕士研究生，毕业于中国科学院。现工作于北京遥测技术研究所，工程师，从事星载微波毫米波电路设计工作。

刘德喜 研究员，研究方向为微波毫米波系统。

何彩分 高级工程师，从事射频系统设计工作。

沈 鹏 助理工程师，从事射频电路设计工作。

A Ka-band Direct Modulator for Satellite Communication System Application

Wang Dongdong， Liu Dexi， He Caifen， Shen Peng

This paper analyzes the advantages of directmodulation technology，and expounds the theory and performance.A Ka-band direct modulator based on the harmonic mixer is designed and tested.Experimental results show that，the direct modulator's performance can meet the engineering requirements，and the modulator can be directly applied to the satellite communication system.

Ka-band； Directmodulation； I/Q mixer； QPSK modulation； 8PSK modulation

TN761.7

A

CN11-1780(2014)06-0024-05

总装预研项目

2014-04-22 收修改稿日期：2014-06-16