用于方向回溯天线的Costas环相位共轭电路设计

陈茹萌, 张云华,*, 陈鹏烽, 陈海涛, 朱国强

(1.武汉大学电子信息学院, 湖北 武汉 430072; 2.中国船舶重工集团公司第722研究所, 湖北 武汉 430205)

0 引 言

方向回溯天线系统具有低成本、高增益、快速自跟踪能力等特点,在现代移动通信等领域中有着广泛的应用前景[1-8]。相位共轭技术是实现方向回溯天线波束自跟踪关键技术[9-16]。传统的相位共轭电路往往采用混频方式实现对入射导频的相位共轭,并将其发射,实现简单的回溯功能[17],当需要进行信息传递时,传统相位共轭电路受到了限制。近年来,有学者提出了锁相环混频结构的相位共轭电路,将相位调制的来波信号中的数据信息与载波分离,实现了相位共轭电路的双工通信能力[18-23],然而该方法具有较高的电路复杂性和成本。也有学者采用在发射数据信号同时加入导频信号,在接收端利用导频信号进行回溯[24]。

为进一步融合方向回溯天线系统与通信系统,发展具有全双工通信能力的方向回溯天线,本文介绍了一种新的可用于双工通信的相位共轭电路结构。该电路在确保相位共轭功能的同时具有直接对来波信号进行解调输出的能力,无需额外的解调模块,降低了接收电路的复杂度。相位共轭电路需要从接收的来波信号中提取载波并对其进行相位共轭,达到自跟踪的目的。本文将利用Costas环法直接从接收的已调信号中提取载波进行回溯,无需额外导频信号需求,节省了频谱资源。

1 Costas环相位共轭电路

Costas环作为传统载波恢复和信号解调的锁相环电路,在环路锁定之后,可直接获得解调信息和与之分离的载波信号[25-27]。鉴于此,将Costas环的独特性能与外差混频结构结合,设计一种新的相位共轭电路。通过仿真实验验证了电路具有不同解调载噪比条件下的四相相移键控(quadrature phase shift keying，QPSK)信号的数据信息解调和恢复相干载波的能力,同时实现对各射频通道载波入射波前相位进行相位共轭,使电路具备方向回溯能力[28]。

Costas环结构由混频器、低通滤波器(lowpass filter,LPF)、鉴相器(phase detector,PD)、环路滤波器(loop filter,LF)和压控振荡器(voltage controlled oscillator,VCO)组成。改进的Costas环电路首先将VCO的输出信号分成正交的两路信号分别与来波信号混频,并将两路下边带信号送到PD和LF获得环路控制电压来控制VCO的输出频率[29]。环路锁定后,VCO的输出即为恢复的载波,将恢复的载波与后级外差混频结构的本振信号混频,得到相位共轭的回溯信号。图1给出了该相位共轭电路的原理框图。

图1 改进的Costas环相位共轭电路

设第i个射频通道输入的信号为

sQPSK(t)=DI(t)sin(ωRFt+φi)+DQ(t)cos(ωRFt+φi)

(1)

式中:DI(t)、DQ(t)为QPSK调制过程中的两路正交信号;φi为第i个射频通道由于天线位置不同所产生的空间相位。

a点的压控振荡器信号为

ua(t)=cos(ωRFt+φx)

(2)

b点的压控振荡器信号为

ub(t)=-sin(ωRFt+φx)

(3)

混频信号经过低通滤波后得到:

(4)

(5)

式中：Δφ=φi-φx。

经过平方和相减后得到信号u3(t):

(6)

再将u1(t)、u2(t)与u3(t)三路信号相乘得到LF输入信号:

(7)

考虑到当Δφ很小时,sin Δφ≈Δφ,则upd(t)≈-1/8Δφ。电压upd(t)经过环路滤波器控制压控振荡器的输出电压频率和相位,当upd(t)→0,压控振荡器的输出电压ua(t)就是Costas环提取的剔除了调制信息的载波信号:

ua(t)=cos(ωRFt+φi)

(8)

将提取到的同步载波信号与本振信号进行相位共轭。首先利用一个低本振信号LO1下变频到中频信号IF:

SIF(t)=A1cos((ωRF-ωLO1)t+φi)=A1cos(ωIFt+φi)

(9)

然后中频信号再由高本振信号LO2上变频到射频RF′,就可以得到具有共轭相位的发射载波信号：

Sout(t)=A2cos((ωLO2+ωLO1-ωRF)t-φi)=

A2cos(ωRF′t-φi)

(10)

上述基于改进Costas环的相位共轭电路能直接从已调信号(例如QPSK信号)中提取载波并实现相位共轭,即实现发射波束的方向回溯,该过程无需额外的导频资源;该相位共轭电路可同时实现信号解调与载波恢复的功能,无需额外复杂的信号解调电路,从而实现双工通信。

2 电路仿真设计

为了验证基于Costas环的相位共轭电路的方向回溯能力,本文采用两天线阵列来进行电路仿真验证。图2给出两射频通道Costas环相位共轭电路仿真模型。

图2 两射频通道基于Costas环的相位共轭电路仿真

其中,基带二进制序列比特率为10 Mb/s,采用QPSK调制方式,载波频率为1.5 GHz。第二射频通道的入射信号相位超前第一射频通道的入射信号相位45°,设置来波信号载噪比范围为-11～10 dB,两个射频通道输入信号波形如图3所示。各射频通道的低通滤波器为6阶无限长冲激响应(infinite impulse response，IIR)数字滤波器,通带为0.5 GHz,截止频率2.5 GHz,截止幅度80 dB;LF为2阶IIR数字滤波器,环路带宽设置为5 MHz;采用两次混频方式,用于相位共轭的本振信号频率分别为1.2 GHz、1.81 GHz,经过带通滤波器滤除干扰信号,获得回溯信号频率为1.51 GHz;采用初始相位正交的两个VCO模拟其产生的两路正交信号设定其中心频率为1.5 GHz,通过调节VCO压控灵敏度和环路滤波器的参数值来调节环路的稳定性能,此处设置VCO压控灵敏度设置为1 MHz/V。

图3 两射频通道输入信号波形图

3 结果分析

3.1 解调信号同相叠加

两射频通道信号的解调与合并过程如图4所示。当环路锁定时,每个射频通道中Costas环两条正交支路的低通滤波器的输出端分别产生解调的两路正交信号,对正交信号进行合并后就可以对两路射频通道信号进行同相叠加,再进行后续的简单判决就可以得到解调后码元信号。

图4 双射频通道电路解调信号同相合成电路原理框图

在该相位共轭电路中,各射频通道从相应天线端接收到的QPSK信号具有不同的相位(即φi,由天线位置引起的空间相位),因此各射频通道信号不能直接采用最大比合并方式[30]提高接收信号的信噪比。

然而,该相位共轭电路在载波恢复的同时实现了调制信号解调,且解调后各射频通道所得到的基带解调信号可以实现同相合并,提高解调信号质量。这是由于不同射频通道解调后的基带信号具有极低时延,射频频率上产生的空间相位在基带频率下转化为极低的时延,因此可将两通道的解调信号进行同相合成,最后对叠加后的信号进行判决，从而提高信号恢复能力。图5给出了单射频通道解调输出信号与发送的基带信号对比,以及两射频通道的解调输出合成结果。设置来波信号载噪比在-11～10 dB范围内,当载噪比较差情况下会出现少数误码情况。

图5 Costas环电路解调结果

在每个射频通道解调电路中,正交两路支路解调码元会有一定数量的延迟,因此需要去掉延迟部分再进行合并才不会影响解调输出结果,解调的效果与锁相性能有直接的联系,当环路控制电压处于稳定时,解调出来的数据才比较正确。

3.2 载波恢复

Costas环锁定过程中,环路中的LF输出端将产生调节VCO频率的控制电压,当环路稳定时,环路控制电压趋于稳定,此时,VCO的同相输出端的输出信号即为相干载波信号,如图6所示为载波恢复结果。图6(a)给出环路控制电压的时域波形,环路波形在0 V附近抖动,即达到稳定。图6(b)分别给出了环路稳定时入射信号的波形、初始载波信号、同相VCO的输出信号波形,从中可以看到,同相VCO的输出端与入射信号的载频相位同步,即完成了相干载波提取。

图6 Costas loop载波恢复结果

3.3 相位共轭

同步后的载波信号经过后级与本振信号混频后获得的两射频通道回溯信号波形如图7所示,相比于图3的输入信号波形,第二射频通道回溯信号相位滞后第一射频通道约45°,即实现相位共轭。由于该方法进行载波提取时存在0°、90°、180°的相位模糊,即平衡点相差存在不确定性,现有的解决相位模糊的方法不在载波同步部分实现,而是在信道编解码部分,主要有差分编码方法和帧同步。这里采用的是对载波进行相位基准旋转法来平衡相位模糊现象[31]。对于不同的相位差范围VCO本地载波初始相位状态不同,如表1所示。

图7 两射频通道回溯信号波形图

表1 不同相位差对应的本地载波初始状态

当来波信号载噪比为10 dB时,仿真得到0°～180°角度下两射频通道相位共轭的结果如图8所示,可以看到相位共轭误差均在±1.4°范围内。设置来波载噪比范围为-11～10 dB,再进行仿真测试,得到如图9所示的最大相位共轭误差情况,可以看到随着载噪比的降低,相位共轭误差开始增大,该电路在信噪比较差的情况下仍能保持较好的相位共轭精度。

图8 0°～180°角度范围下两射频通道相位共轭结果

Fig.9 不同载噪比情况下的最大相位共轭误差

3.4 锁相范围

改变设定的VCO振荡频率和调制载波的频率差,使得频差选择范围为5 kHz、10 kHz、15 kHz、20 kHz,进行仿真实验,电路仍能正确解调。然后不断增大频差,直到系统失锁,无法正确解调信号。最后通过仿真结果可以得到,当频率差范围在[-60 kHz,60 kHz]之间时(精度为1 kHz),该Costas环电路仍然能够对信号进行正确解调,这说明了该电路也可以在存在多普勒频移的情况下正常工作。

4 结 论

本文提出了一种新的可用于双工通信的相位共轭电路,将Costas环结构与外差混频结构相结合实现电路的相位共轭性能和通信能力,结果表明,该电路具备如下几个优点。

(1)采用Costas锁相环结构,无需额外的导频信号,实现对复杂调相信号的载波提取和相位共轭的功能,达到双工通信的目的。

(2)实现对QPSK相位调制的来波信号的直接解调,并且具有较好的抗噪声干扰性能。

(3)各通道解调信号相位相同,可以使各路解调输出信号同相叠加,提高了解调信号的质量。

(4)对于不同频差时的仿真结果,锁相范围为[-60 kHz,60 kHz],锁相精度1 kHz。此时的锁相环仍能够满足大部分解调需求,仍能够进行正确解调,因此该电路也可以在存在多普勒频移的情况下正常工作。

同时,电路中各个通道的接收端互不影响,提高了电路的容错率。综上可得,该电路方案在一定程度上促进了方向回溯天线系统与现代通信系统结合。