基于FPGA 的小型化微波發射系統設計*

楊 凱，沈學靜，張會新*，梁永剛

(1.中北大學電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051；2.首都航天機械有限公司，北京100076；3.中國人民解放軍68216 部隊，北京100076)

隨著空間技術和飛行技術的飛速發展，正確且有效地將飛行器的速度、位置、姿態等飛行狀態發送到基站，有助于飛行器穩定地工作[1]。 微波發射機作為航天測控系統的核心部件，其技術發展水平直接影響著航天測控系統的發展。 目前，微波發射機的主要研究方向主要是小型化、低功耗、高效率的數據傳輸。

本文設計了一款基于FPGA 的微波頻段發射機，采用軟件無線電技術，通過對數字信號的矢量正交調制，對信號進行直接上變頻處理，最終實現小型發射機的研制，該發射機具有良好的通用性，可以在很寬的頻帶內選擇載波頻點。

1 系統整體設計

本系統在設計時設定了以下幾點目標:(1)設計合理，具有通用性并且維護簡單；(2)系統滿足小型化要求；(3)滿足設計時要求的各項技術指標:發射機發射的微波信號頻率小于5 GHz，功率小于12 dBm。

本次設計的發射系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

主要由數字基帶模塊(編碼、調制)、本振模塊、上變頻模塊、天線組成。 FPGA 先對數字信號進行串并轉換輸出兩路基帶信號I(t)和Q(t)，然后與本振信號進行零中頻的上變頻處理，輸出的微波信號再經由濾波和放大，最后由天線發射出去。 其中采用正交調制器完成調制和上變頻兩個步驟，滿足了了小型化的要求。

2 系統硬件設計

2.1 數字基帶模塊設計

本模塊利用軟件無線電原理，實現電路的數字化，運用可編程技術對基帶信號實現碼元變換，極性變換，成形濾波等處理，最后得到兩個相位相差π/2的分量，再將數字信號通過DAC 得到模擬QPSK 基帶信號。

AD9779 是一款采樣速率高達1 Gsample/s，數據寬度為16 bit，高集成度內插式雙通道數模轉換芯片，能夠發生最高達奈奎斯特頻率的多載波[2]，可以對正交調制的復數數字調制以及增益與失調補償方面進行優化設計，并且輸出與模擬正交調制器可以無縫連接[3]。 如圖2 所示為DAC 與正交調制器的接口電路原理圖。

圖2 DAC 與正交調制器的接口電路

2.2 數字本振模塊設計

本模塊設計要求為輸出頻率4 000 MHz，相位噪聲在100 kHz 帶寬處≤105 dBc。 為滿足小型化的要求，數字本振模塊使用ADI 公司的ADF4106，其具有整數分頻頻綜、歸一化相噪基底為-223 dBc/Hz，功耗較低的優點，是一款性能優良的集成數字鎖相環頻率合成器，再利用環路濾波、壓控振蕩器可以形成一個完整的鎖相環電路[4]。

使用ADI 公司的ADISimPLL 軟件可以對鎖相環路進行環路濾波器的仿真設計。 設定參考晶振10 MHz，鑒相頻率1 MHz，輸出頻率4 000 MHz。 壓控振蕩器使用ZComm 公司的V844ME05，環路濾波器使用3CZR 結構，相位裕量取45°，并且環路的帶寬設計決定了鎖相環校正相位誤差的速度。

如圖3 所示為設計的PLL 的電路原理圖，本模塊以此為依據，進行PLL 電路的PCB 設計。

圖3 PLL 電路原理圖

表1 所示為所生成原理圖中不同頻率下各個部分所產生的相位噪聲，其中Freq 表示頻率，單位是Hz，total 為總體相位噪聲，VCO 為壓控振蕩器的相位噪聲，Ref 為參考晶振相位噪聲，Chip 為芯片相位噪聲，Filter 為濾波器的相位噪聲，噪聲單位為dB，可以看出，滿足設計要求。

表1 相位噪聲表

2.3 上變頻模塊設計

為了滿足小型化要求，本模塊上變頻電路選用ADI 公司推出的一款頻率覆蓋400 MHz ～6 GHz 范圍的寬帶正交調制器實現直接上變頻設計。ADL5375 需要輸入一路單端的本振LO 信號，和兩路差分基帶信號，本振LO 信號分離為兩路幅度相等，但剛好有90°的相位差的正交信號，這兩路信號會同時輸入到片內兩個混頻器，再將這兩個混頻器的輸出相加，可以得到IQ 上變頻調制的單端50 Ω輸出信號[5]。 圖4 為ADL5375 的基本連接電路。其中DSOP 引腳為高電平時，芯片內部輸出開關斷開，無輸出射頻信號；為低電平時則相反。 輸出信號受控制，增強了電路的智能化。 另外，在布線時，應盡量保證兩路差分對對稱，走線長度一致，降低兩路失調的概率。

圖4 正交調制電路

2.4 放大電路設計

發射通道的射頻放大器用于放大正交上變頻之后的射頻信號。 為使放大電路工作于線性放大狀態，選擇放大器時，要求Pin，1dB＞0 dBm。 考慮到放大電路后級有射頻走線、合路器、射頻接口等因素引入的信號插損，為獲得指標要求的10 dBm 的輸出信號功率，放大器增益必須留有余量。

本模塊射頻發射前端電路選擇Hittite Microwave公司的功率放大芯片HMC326MS8G。 HMC326MS8G是一種基于雙極性異質結晶體管技術的MMIC 射頻放大器，其工作頻率處于3.0 GHz～4.5 GHz，飽和輸出功率26 dBm，功率附加效率(μPAE)40%以上，典型輸出壓縮點Pout，1dB為23.5 dBm，可提供增益G ＝21 dB，并設有增益控制引腳。

由式(1)可得，HMC326MS8G 的輸入壓縮點Pin，1dB為2.5 dBm 左右。 雖然高于輸入0 dBm 的輸入信號，但是輸入功率接近Pin，1dB，器件非線性特性增強，干擾增多。 為此，需要在放大器輸入端增加一π型電阻衰減器，并且考慮阻抗匹配問題，電路如圖5所示。

已知HMC326MS8G 內部已集成部分信號匹配電路， 芯片外圍只需連接較少的匹配器件，HMC326MS8G 的外圍電路如圖6 所示。

圖5 π型電阻衰減電路

圖6 放大器外圍電路

3 系統軟件設計

3.1 基帶信號處理

本模塊采用Spartan-6 系列FPGA 產生QPSK調制所需要的基帶信號I(t)和Q(t)，本模塊使用其內部集成的輸入串并轉換器原語，采用SDR 模式將1 bit 數據轉換為2 bit 數據，圖7 所示為仿真圖。

圖7 I(t)和Q(t)產生的仿真圖

由FPGA 產生的兩路基帶信號I(t)和Q(t)需要經過數字濾波處理，再輸出給正交調制器。 其作用有兩個，一個是平滑波形效果，提高頻譜的利用率；一個是消除碼間干擾(ISI)[6]。 濾波器形式選用FIR 濾波器，n 階FIR 濾波器輸出公式如下:

式中:n 為濾波器的階數，h(n)為濾波器的系數。 N表示將輸入信號及其N-1 個輸入信號輸入濾波器做卷積運算，卷積運算是將輸入信號先擴充為n 點數據，然后翻轉，并與系數相乘，最后累加。 通過MATLAB 仿真可以得到FIR 濾波器的系數，將得出的系數存儲在coe 文件中，再導入到FPGA 的IP 核中，即可調用濾波器IP 核[7]。

3.2 數字本振控制模塊

ADF4106 主要通過模式位的電平差異來使雙模分頻器有兩種分頻模數P 和P+1。 VCO 的頻率計算方程式為:

式中:fVCO為本振模塊輸出頻率；P 為雙模分頻器的預設模式；B 為13 位計數器(3～8 191)；A 為6 位計數器(0～63)；fREFIN為外部參考源；R 為參考源信號的分頻比(1 ～16 383)[8]。 根據指標要求，輸出頻率為4 000 MHz，相位噪聲≤-115 dBc/Hz＠100 kHz。已知參考源頻率為10 MHz，設定ADF4106 的各個參數如下:參考源信號分頻比R 為10，分頻模數P為16，分頻比N ＝4 000，由N ＝BP+A，計算得出B ＝248，A＝32。 因此，R 寄存器預設為000028h，N 寄存器預設為00f881h，F 寄存器預設為4008c2h。 如圖8 所示為送數時序。

圖8 送數時序

3.3 正交調制模塊

本模塊采用QPSK 的調制方法，利用載波的四種不同相位(45°，135°，225°，315°)來表征輸入的數字信息，調制器輸入的數據是一組由數字基帶模塊發出的差分信號[10]。 矢量分析圖如圖9 所示。 可以看出，QPSK 中的一次調制能夠傳輸2 個信息比特，這些信息比特都是由載波的這四種相位表征的。

圖9 矢量分析圖

由圖可以看出:當輸入的數字碼元為“11”時，輸出已調波形Acos(2πfct+π/4)，當輸入的數字碼元為“01”時，輸出已調波形Acos(2πfct+3π/4)，當輸入的數字碼元為“11”時，輸出已調波形Acos(2πfct+5π/4)，當輸入的數字碼元為“10”時，輸出已調波形Acos(2πfct+7π/4)。

4 系統測試與可行性分析

首先采用MATLAB 仿真來驗證QPSK 調制方式的可行性，根據信噪比對已調信號加入高斯噪聲數據，進行星座圖的對比和判決，結果如圖10 所示。由圖11 能夠觀察到QPSK 誤碼率曲線和誤比特率曲線，其中理論與實際曲線重疊在一起，并且誤碼率約是誤比特率的兩倍，這種調制方式是可行的。

圖10 星座圖的對比和判決

圖11 誤碼率和誤比特率的理論和仿真曲線

接著測試上變頻模塊，結果如圖12 所示。 由于數字基帶信號頻率為10 MHz，正交調制的本振信號頻率為4 GHz，電路的輸出信號的頻率為4.01 GHz。測得的結果如圖所示，其載波抑制能力達到30 dB，邊帶抑制能力達到40 dB。

圖12 輸出信號頻率為4.01 GHz 時的頻譜和相噪圖

5 結論

本文設計了一款基于FPGA 的微波頻段發射機，采用軟件無線電思想，對數字信息進行矢量正交調制，輸出頻率4 GHz、功率10 dBm 的微波信號。該系統頻率變換一步到位，干擾信號較少，所用器件較少，便于電路集成。 這種小體積、低成本方案，具有很強的通用性和良好的互通性，可以廣泛運用于航天測試系統中。