星間太赫茲通信發射系統初步方案設計

郝志松，張文靜

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

太赫茲波通過大氣時，由于水蒸氣的影響，衰減嚴重，但在大氣層外的太空，對太赫茲波具有強吸收的水分等物質非常稀薄，因此太赫茲電磁波可作為信息載體，用于衛星之間、衛星與飛船或太空探測器之間的高速數據通信［1］。

太赫茲電磁波可作為星間寬帶信息載體，相對于微波通信，具有通信容量大、抗干擾能力強以及收發設備尺寸小等優點;相對于光通信，具有能量效率高和穿透力強等優點。太赫茲星間數據傳輸具有顯著的優勢，但截止目前為止，國內關于太赫茲空間通信的研究成果還非常少，最主要的原因是由于傳統的電子學和光學的技術和器件都不能完全滿足太赫茲波的需求，不能直接應用到太赫茲通信，因此需要結合兩方面的知識，開發全新的技術和元器件［2］。

為了進行太赫茲寬帶通信功能演示，設計了一種星間太赫茲通信發射演示系統方案，為太赫茲技術應用于通信領域提供技術參考。

1 總體設計

太赫茲高速通信演示系統在室內進行功能演示，傳輸距離為100 m，碼速率為1.2 Gbps，采用QPSK調制方式和編碼效率為7/8的LDPC編譯碼;根據演示環境的信號衰減情況，傳輸載波頻點為344 GHz;經過鏈路預算，確定發射的天線增益為50 dB，可滿足系統要求。發射演示系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 發射演示系統功能框圖

發射演示系統的數據源由誤碼儀產生，誤碼儀通過并行方式發送偽隨機序列至信道編碼器，編碼器進行信道編碼后，由調制器進行符號映射并對X頻段載波進行調制，最后經過發射組件輸出太赫茲調制信號。在發射端可通過示波器觀測基帶映射信號的星座點，通過頻譜儀和頻率擴展器件觀察太赫茲信號頻譜。

1.1 LDPC信道編碼器設計

采用碼長為8176 bit，碼率7/8的LDPC碼，編碼增益為6 dB。在編碼器中，首先將以并行輸入的4路數據進行串并轉換，分為8路，然后將8路數據分為2組，每4路分別采用1個子編碼器進行編碼，每個子編碼器可以通過內部并行實現同時處理4路數據。編碼完畢后，將每個子編碼器的輸出各自合并為1路，分別作為調制器的I、Q 2路輸出。實現框圖如圖2所示。

圖2 LDPC編碼框圖

1.2 調制器設計

圖3 微波調制器原理框圖

X頻段的本振源中有60 MHz參考信號送入鎖相環芯片ADF4113，該鎖相環路直接采用20 MHz鑒相頻率，壓控振蕩器選用通用的低噪聲VCO，相位噪聲指標優良;鎖相環路輸出的信號進入倍頻器，然后經過一個微帶交指濾波器，以便提純出8 GHz本振信號;為了正交混頻器提供足夠的本振電平，需要在濾波后加一級放大器，以得到功率為13 dBm的本振電平。

經過仿真，鎖相環路的帶寬取4.2 kHz，相位裕量為50°，相位噪聲指標可達到以下要求:

-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。

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經過正交調制后的信號采用模擬的帶通濾波器進行頻譜成形。

1.3 發射組件設計

發射組件由X頻段功率放大器、諧波混頻器、本振源及太赫茲頻段濾波器等元件組成，詳細的方案框圖如圖4所示。

圖4 發射系統實現初步方案

采用次諧波混頻器，可降低本振頻率，且不必在輸入端加入本振和中頻信號的合路器。采用VDI公司型號為WR2.8SHM的混頻器，要求的本振輸入功率為3 mW，插損小于9 dB，噪聲溫度在600～1200 K之間，采用波導接口與拋物面天線連接。

中頻信號混頻采用低中頻方案，頻譜在混頻器本振左右會出現鏡像頻譜，由于在太赫茲頻段濾波器阻帶抑制指標一般都不是很理想，約在6 dB，為了解調時不影響解調性能，解調必須采用高本振進行下變頻，以確保帶內頻譜不混疊。

變頻本振源采用VIVA公司的產品WTPLO_05鎖相震蕩源，功率達到10 mW，滿足混頻器對本振的驅動能力要求;相位噪聲在100 kHz時，達到-93 dBc/Hz，達到一般恒溫晶振的相噪水平。

濾波器選用VDI公司的定制產品，或采用國內相關課題的研究成果。VDI公司的太赫茲濾波器可以做到載波頻段的10%的帶寬，阻帶抑制能大于6 dB，可初步滿足系統要求。

1.4 天線設計

太赫茲天線原理樣機主要由天線主、副反射面，饋源網絡及支撐座架組成。其中，座架具有方位和俯仰方向的角度手動調整功能，方便原理樣機的測試驗證。

天線形式采用卡塞格倫形式，天線增益不低于50 dB，副瓣電平小于-30 dBc。為了提高天線性能對天線主副反射面進行賦形。賦形設計時饋源的輻方向圖采用實測的近場方向圖，天線口面場分布函數為高斯函數形式，采用幾何光學法對主副面進行賦形。

傳統的圓口徑拋物面天線為了實現較高的口面效率一般采用波紋圓錐喇叭。波紋喇叭具有在較寬的頻帶內實現波束寬度不變、旋轉對稱、低反射損耗和低交叉極化的輻射性能，是目前反射面天線最佳的匹配組合。但是，波紋喇叭的加工復雜，工藝要求較高。尤其是在高頻段，由于相關加工尺寸過小，加工困難。

多模圓錐喇叭可以在5%～12%帶寬內實現波束旋轉對稱以及高效率照射。而且多模圓錐喇叭結構簡單，易于加工，更容易實現在太赫茲頻段的使用。因此，初步選擇多模圓錐喇叭作為太赫茲天線的初級饋源。

按照使用頻段設計了一個多模圓錐喇叭，在天線饋源17°照射角內E面和H面實現了等化，可以實現較高的照射效率。因此利用多模圓錐喇叭在太赫茲頻段可以實現等化照射，而且由于多模喇叭加工容易，所以是太赫茲頻段天線初級饋源的首選。

2 需要解決的問題

2.1 高速信道編碼器的時序設計

高速信道編碼在FPGA內實現，由于信號處理的主頻較高，需要保證各信號處理模塊之間正確的時序關系，即時鐘到每個時序器件的時延相等，因此采用公共時鐘時序約束和調整技術，解決各元器件間的時序配合問題。

2.2 如何保證寬帶調制器正交特性

寬帶調制器的正交特性，直接影響數傳系統的誤碼率性能。信號帶寬變寬后，幅度平衡性和相位正交性設計難度加大，需要采用時延控制元件，優化微波電路正交兩路信號的幅度和時延［4］。

2.3 如何調整天線的方位角度

如果要達到太赫茲天線的增益要求，波束角度只有1°，進行系統聯試時，存在天線的捕獲對準問題。因此需要設計伺服系統，使天線的方位和俯仰角度可調;另外，需設計天線對準的誤差提取方案，進行天線對準偏差的測量。

3 關鍵技術

3.1 LDPC碼時序調整技術

由于LDPC編碼［5］的碼速率較高，即使采用了并行方式，數據處理的最高時鐘速率也達到300 MHz。采用FPGA內部時序約束和面積約束相結合的方式，進行電路時序設計;采用公共時鐘處理，保證時鐘源到每個觸發點的時延差在100 Ps以內［6］。對于采用約束方式仍然不能達到要求的部分電路，采用FPGA內部底層調整的方式，手動調整電路中元器件位置和信號路徑。為了獲得一定的調整空間，FPGA內部資源的消耗控制在60%以內。

3.2 寬帶正交調制技術

模擬乘法器、正交混頻器、90°電橋以及合路器由單片的集成電路實現，由于微波頻率高、信號帶寬寬，電路中載波泄漏、幅度不平衡和正交相位誤差就更加突出。為了提高微波調制器精度、減小矢量誤差，準備采用如下技術:首先是在I/Q電路中增加幅度和相位可控元件，以外部電壓精確控制調制器的精度，由于控制特性通常是單調變化的，因此有可能實現自適應控制;再者是在I/Q的內部電路設計中，保證混頻器、正交功分器及同相功率合成器各端口匹配良好，駐波小并有足夠的隔離度;最后是在應用中，應保證I、Q端口從直流至3倍于載波頻率的頻帶內匹配良好，如在緊靠端口位置插入3～6 dB的電阻衰減器;此外，在采用4象限模擬乘法器的I/Q調制器中，各端口采用差分模式有利于減小矢量誤差，并抑制共模噪聲。經過以上措施，寬帶基帶信號可直接調制到中頻，正交調制器的相位不平衡在±3°以內，幅度不平衡在±1 dB以內，載波抑制度應達到20 dB以上。

3.3 天線方位角度調整

天線座選用方位-俯仰(A-E)2軸結構形式。主要由方位和俯仰2大部分組成。方位部分由底座、方位軸、方位大齒輪及方位驅動等裝置組成。方位底座采用鋁合金鑄件結構，它是整個天線座的支撐機構。方位底座中心安裝方位轉軸。俯仰部分由俯仰支架、左右軸承座、俯仰驅動及俯仰扇形齒輪等機構組成。方位和俯仰均設置有手輪，可以手動調節天線的方位俯仰角度。

4 性能測試結果分析

LDPC信道編碼器和微波正交調制器的設計已完成，可測試到X頻段頻譜和基帶數據的星座點。X頻段調制信號的碼速率達到1.2 Gbps、EVM達到4%以下，指標均符合設計要求。

X頻段已調制信號的輸出功率為5 dBm，比設計預計值高2 dBm，主要原因是X頻段輸出口沒有加入匹配電阻。在實際的發射演示系統中，為了和后端的發射組件進行良好的匹配，需要X頻段正交調制器輸出端加入2 dB的衰減器。此時X頻段信號的功率將為3 dBm，同設計時的預計值一致。

以上是對已設計完成的部分環節的測試結果分析，太赫茲發射系統的整體指標測試和分析將在太赫茲寬帶通信演示系統全部研制完成后進行。

5 結束語

太赫茲空間通信具有顯著的優勢，但截止目前為止，關于太赫茲空間通信的研究成果還非常少，最主要的原因是由于傳統電子學和光學的技術和器件都不能完全滿足太赫茲波的需求，不能直接應用到太赫茲通信，因此需要結合兩方面的知識，開發全新的技術和元器件。但隨著高功率的太赫茲光源、高靈敏度的探測技術及高穩定性系統技術的日益突破，具有眾多優勢的太赫茲空間通信取得突破必將指日可待。

星間太赫茲通信發射演示系統方案是在現有元器件技術水平上，探討一種采用寬帶正交調制、諧波混頻、太赫茲天線設計和組件集成等技術搭建的星間太赫茲通信發射系統的方案，為太赫茲技術在通信領域的應用提供參考。

［1］初洪娜.關于太赫茲通信技術的綜合分析探討［J］.高新技術產業發展，2011(14):34-35.

［2］姚建銓，遲楠，楊鵬飛.太赫茲通信技術研究與展望［J］.中國激光，2009，36(9):25-27.

［3］王成，林長星，鄧賢進，等.140 GHz高速無線通信技術研究［J］.電子與信息學報，2011，33(9):2263-2266.

［4］陳曉峰，孟景濤.衛星信道模擬器的設計［J］.無線電工程，2011，41(8):51-54.

［5］PROAKIS J G.Digitial Communications(Fourth Edition)［M］.張力軍譯.北京:電子工業出版社，2007.

［6］劉會紅.并行數字匹配濾波器設計［J］.無線電工程，2011，41(7):62-64.