宽带正交调制器设计与实现

张晓峰，张朋浩，侯永彬

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军66008部队，天津 300250）

宽带正交调制器设计与实现

张晓峰1，张朋浩2，侯永彬1

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军66008部队，天津 300250）

介绍了宽带正交调制器的工作原理和传统设计方法。针对宽带卫星通信系统中调制信号正交性误差对信号传输质量影响较大的问题，通过阻抗匹配、差分信号传输和接口电平功率控制等技术手段，对无源非线性器件的外围电路进行优化设计。使调制信号的EVM值提高了7%以上，在大幅提升宽带正交调制器的性能指标的同时，扩展了宽带正交调制器对本振功率、基带信号功率的适应范围。

宽带；正交调制；卫星通信

0 引言

随着人们对信息需求成几何倍数的增长，信息传输系统的带宽也在相应提高。宽带卫星通信等无线高速数据传输方式，是人们进行大数据量信息交互的方式之一，其传输带宽已经超过了200 MHz［1］。在宽带卫星通信中，大多采用QPSK等数字调制方式，宽带正交调制技术是关键技术之一［2］。中频输出带宽为200 MHz的正交调制器的技术指标要求为：中心频率为1.2 GHz，基带信号1 dB带宽为100 MHz，正交相位不平衡优于±2°，幅度不平衡优于1 dB［3］。

正交调制器的传统设计方案是利用非线性电路实现2个信号的正交混频，这种方案容易引起较大的信号正交误差，使卫星宽带通信系统的误码率性能下降，影响信号传输质量。

本文通过对非线性电路在延时控制、功率控制和PCB信号传输方式等方面的改进和创新，使正交调制器获得较好的正交性能，并扩大对输入信号功率的适应范围，从而提高整个调制信号质量。

1 宽带正交调制器工作原理

宽带正交调制器的功能是实现信号频谱由基带向频带的搬移，即I路和Q路基带符号携带信息，通过非线性电路实现对本振信号相位和幅度的正交调制。正交调制功能的原理如图1所示［4］。

设中频输出信号为f（t），I路和Q路基带信号分别为i（t）和q（t），则正交调制的数学表达式为［5］：

式中，基带信号分别以50%的概率输出1或－1。

图1 微波调制器原理

2 技术指标分析

正交调制器的主要技术指标为正交特性，即相位不平衡性和幅度不平衡性［6］。

相位不平衡性是由I路和Q路信号非线性电路的个体差异和信号传输时延的差异，导致正交调制后输出信号正交通道和同相通道的载波没有严格正交。

幅度不平衡度是指由于非线性电路的个体差异造成的同相通道和正交通道之间的增益不同。

相位不平衡和幅度不平衡表现为调制信号的调制域相点发生畸变。以QPSK信号为例，理想的相点为正方形，正交特性不理想的调制信号的相点畸变为长方形或菱形。

经过仿真，在误码率为1×10－7时，在不考虑信号均衡的情况下，QPSK体制信号的正交特性对系统的误码率性能影响如表1所示［7］。

表1 IQ不平衡对误码率性能的影响

从表1可以看出，当幅度不平衡为1 dB、相位不平衡4°的情况下，Eb／N0损耗达到了1.8 dB。可见，进行正交调制器设计的关键是提高相位不平衡和幅度不平衡的指标。

3 传统技术方案

正交调制器的传统设计方案，即直接利用二极管非线性电路，在基带信号输入端口和本振信号输入端口，加入π形衰减，以调节信号功率［8］。微波调制器实现电路如图2所示。

图2 微波调制器实现电路

传统的设计方案的缺点如下［9］：

①基带信号和本振信号的功率控制精度不够，不足以满足二极管非线性电路补偿要求；

②缺少时延控制元件，无法对相位不平衡度进行补偿；

③信号输入采用单端形式，无法抑制共模噪声。

4 改进的技术方案

改进的技术方案是：采用无源的正交混频器件作为核心功能模块，外围电路辅助功率调整器件和时延控制电路来降低正交不平衡性。电路实现图如图3所示。

图3 微波调制器实现电路

此方案中，本振和基带信号输入电路都加入了AGC器件，这种器件可以把输入信号在－5～＋5 dBm的功率调整到7 dBm；基带信号再通过电调衰减器进行步进为0.2 dB的功率调整，以减小幅度不平衡。

相位不平衡的本质是I路和Q路信号的时延误差，因此可以通过控制基带信号的时延来降低相位不平衡［10］。本方案中，在基带信号的输入加入了时延控制电路。时延控制电路是采用调整DA采样钟的输出相位实现的。调整精度为1个采样周期的1／90，采用4倍采样的情况下，调整精度可以达到每个符号周期的1／360。

除了在本振和基带信号端加入功率或时延的控制元件外，在中频输出端加入了带宽滤波器，用于滤除调制信号的谐波；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；在应用中，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，在紧靠端口位置插入3～6 dB的电阻衰减器；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。

5 测试结果分析

宽带正交调制器设计加工完成后，利用测试仪器对其进行功能性能测试。主要的测试仪器有任意波形发射器AWG7112B和宽带示波器ISO90404A等。正交调制器测试连接图如图4所示［11］。

图4 正交调制器测试

任意波形发射器AWG7112B输出符号速率200 M符号／s的调制基带信号，调制方式为QPSK，基带信号的幅度为0.5 V。

通过测试，在经过幅度和相位补偿后，该功能模块的相位不平衡度为由6.29°优化到1.8°，幅度不平衡为由0.45 dB（5.2%）优化到0.21 dB（3.3%），QPSK体制的调制信号的EVM值由12.0%优化到4.65%。

根据卫星通信系统仿真结果，正交调制功能模块带来的误码率性能损失低于0.4 dB。符合设计要求。

由测试结果可以看出，优化前后的相位不平衡差别加大，幅度不平衡指标提升有限，这是因为在未优化前的IQ正交调制器本身的幅度不平衡度指标相对相位不平衡较好［12］。

6 结束语

随着卫星通信系统的带宽越来越宽，正交调制器的设计难度也越来越大。从对非线性二极管、移相器等无源器件的筛选到对器件特性进行功率和时延的补偿，是该项技术的一个的进步。进行补偿后的正交调制器，输出的调制信号正交性误差大幅减小，QPSK信号的相当在调制空间接近理论分布，EVM值为4.65%。试验表明，这项技术有效提升了宽带卫星通信系统的误码率性能，并为进一步扩展卫星通信系统的带宽提供了技术储备。

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Design and Implementation of Broadband Quadrature Modulator

ZHANG Xiao-feng1，ZHANG Peng-hao2，HOU Yong-bin1
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Unit 66008，PLA，Tianjin 300250，China）

This paper introduces the operating principle and traditional design methods of broadband quadrature modulator.In the broadband satellite communication system，the orthogonality deviation will influence significantly the transmission quality of modulation signals.In order to solve this problem，by using such technical methods as impedance matching，differential signal transmission，and in-terface level power control，this paper puts forward the optimization design scheme for peripheral circuit of passive nonlinearity devices. As a result，the EMV value of modulation signal is increased more than 7%，the performance index of broadband quadrature modulator is improve significantly，and the application range of broadband quadrature modulator on local oscillator power and baseband signal power is extended.

broadband；quadrature modulation；satellite communication

TN76

A

1003－3106（2015）10－0071－03

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.19

张晓峰，张朋浩，侯永彬.宽带正交调制器设计与实现［J］.无线电工程，2015，45（10）：71－73.

张晓峰男，（1976—），工程师。主要研究方向：通信对抗工程。

2015-07-07

张朋浩男，（1978—），工程师。主要研究方向：通信技术。