0 引言
    隨著通信事業(yè)的發(fā)展,，信息傳輸量日益增加,，無論公用通信網(wǎng)還是專用通信網(wǎng)，通信的業(yè)務(wù)量都在迅猛增長,，紅外和光系統(tǒng)已出現(xiàn)局限性,，微波頻譜也已經(jīng)非常擁擠，面臨這樣的局面,，毫米波通信以其得天獨厚的優(yōu)點得到各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,。
    毫米波波長短，其設(shè)備體積小,、重量輕,、耗電小、機動性好,，在同樣口徑天線下，短波長的毫米波能實現(xiàn)窄波束,、低副瓣,，因而在目標跟蹤和識別上能提供極高的精度和良好的分辨率，同時窄波束還可提高系統(tǒng)的隱蔽性和抗干擾能力,?？赏ㄟ^構(gòu)建基于軟件無線電原理的毫米波通用硬件平臺將其系統(tǒng)化,，而基于軟件無線電原理的毫米波硬件平臺，要求系統(tǒng)的各個組成部分具有可編程,、靈活以及小型化的特點,。在最大程度上實現(xiàn)該硬件平臺的開放性、數(shù)字化,、標準化和可編程化,。數(shù)字上變頻和下變頻技術(shù)是構(gòu)建毫米波通用硬件平臺的關(guān)鍵技術(shù)?；诖?，本文給出一種兩次變頻法的毫米波發(fā)射端上變頻方案，并利用Altera公司的Cyclone系列EP1Cl2F324完成基帶數(shù)字信號處理,，實現(xiàn)對AD9-857的控制,，在數(shù)字域完成基帶數(shù)字信號的內(nèi)插濾波、正交調(diào)制,、D／A變換等功能,，實現(xiàn)70 MHz中頻載波上的QDPSK調(diào)制。

1 毫米波發(fā)射機
    發(fā)射機是毫米波通信設(shè)備中的重要組成部分,，其作用是將已調(diào)波經(jīng)過變頻,、放大、濾波等處理后,，輸送給天饋系統(tǒng),，發(fā)向通信對方或轉(zhuǎn)發(fā)中繼站。發(fā)射機的變頻方案可分為兩種：直接變頻法和兩步變換法,。直接變頻法是將調(diào)制和上變頻合二為一,，在一個電路里完成；兩步變換法是將調(diào)制和上變頻分開,，先在較低的中頻上進行調(diào)制,，然后將已調(diào)信號上變頻到較高的載頻上(毫米波頻率)。
    直接變頻法雖然簡單,，但由于其承受功率限制,，電路不能有效地提供足夠的輸出功率和較大的動態(tài)范圍，并且其他諧波的電平會遠高于所需的信號,，對濾波器和放大器的要求也非常高,。兩步變換法可減弱直接變頻法的缺點，并且對載波適應(yīng)性強,，頻率靈活性好,，合理的頻率配置可有效地抑制各種雜散和變頻過程中產(chǎn)生的諧波、交調(diào)分量,，提高系統(tǒng)的抗干擾性能,。本方案采用兩步變換法,，又由于系統(tǒng)工作在毫米波頻段，其工作頻率比較高,，采用二次或多次的變頻方案,。
    本設(shè)計要將70 MHz的信號上變頻到31 GHz輸出，考慮到經(jīng)過功率放大后的強發(fā)射信號泄漏對發(fā)射機性能指標將造成影響,，并且此時采用濾波器來提取輸出信號非常困難,，代價昂貴，因此采用兩次變頻的方法,，將中頻信號調(diào)制后上變頻到毫米波頻段,。設(shè)計方案如圖1所示。

    圖1中,，基帶信號經(jīng)中頻調(diào)制后得到70 MHz的中頻信號,，中頻信號經(jīng)中頻放大和低通濾波后與2．93 GHz混頻得到3 GHz，再將3 GHz與29 GHz混頻得到31 GHz,，即利用混頻上變頻到毫米波頻段,。其中帶通濾波器用于抑制邊帶噪聲及倍頻產(chǎn)生的干擾，射頻放大器用于補償倍頻損耗,。對于第一本振為獲得較高的頻率穩(wěn)定度,、相位噪聲指標和頻率分辨率，可采用混頻鎖相法設(shè)計,。對于第二本振,，由于其頻率達到29 GH- z，接近毫米波頻段,，可采用微波鎖相,，然后再倍頻的方案實現(xiàn)。

2 中頻調(diào)制方式選擇
    毫米波信道一般為非線性信道,。主要是以數(shù)字恒包絡(luò)調(diào)制為主,，非恒包絡(luò)調(diào)制信號或多載波信號經(jīng)過毫米波非線性信道時，將導致頻譜擴展或產(chǎn)生交調(diào)失真信號,。帶內(nèi)失真分量會干擾調(diào)制信號,，產(chǎn)生矢量偏差，影響調(diào)制精度,，使接收解調(diào)時的誤碼率增加,；帶外失真分量則會干擾鄰近的信道。同時由于毫米波的功率放大技術(shù)成本較高,，功率輸出有限,，毫米波信道是屬于功率受限型，在接收端應(yīng)采用相干解調(diào)技術(shù)。因此在選擇適合毫米波通信信道的調(diào)制方式時,，要注意以下幾點：
    (1)要注意它與系統(tǒng)在信噪比方面的匹配度，要盡量使用在相同信噪比的條件下,，具有較低誤碼率的調(diào)制方式,，同時要考慮其頻帶的利用率；
    (2)要考慮其在非線性信道上性能的惡化量,，要盡量使用恒包絡(luò)調(diào)制方式,；
    (3)要分析其抗衰落的性能并考慮采用適當?shù)拇胧┯枰匝a償。
    數(shù)字通信系統(tǒng)中主要有ASK,，F(xiàn)SK和PSK三種基本的調(diào)制方式,，對目前常用的調(diào)制解調(diào)方式進行性能比較，可得出,，在調(diào)制方式的實現(xiàn)方面,，2PSK／2DPSK設(shè)備簡單、抗干擾能力強,，對衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強,，但頻譜利用率不高。2FSK設(shè)備簡單,，對衰落信道和非線性信道的適應(yīng)能力強,，但其頻譜利用率和抗干擾能力都比2PSK／2DPSK差。4PSK／4DPSK的頻譜利用率是2PSK／2DPSK的兩倍,，抗干擾能力與后
者一樣,。設(shè)備復(fù)雜程度只有少許增加，對衰落信道的適應(yīng)能力適中,，對信道的線性指標要求也不太高,。8PSK與4PSK／4DPSK相比，具有更高的頻率利用率,，但設(shè)備復(fù)雜程度有所增加,，對信道的衰落和失真特性也比后者敏感，需要采取一定措施來改善性能,。
    在抗噪方面,，PSK性能最好、DPSK次之,，其三是FSK,，而ASK性能最差。但是,，PSK系統(tǒng)的性能雖然優(yōu)于DPSK系統(tǒng),，可它容易出現(xiàn)“相位模糊”。從系統(tǒng)的頻帶利用率來看,，PSK和ASK比FSK占據(jù)更窄的信道帶寬,，即PSK和ASK更有效,，所以從抗噪聲性能和提高信道帶寬利用率角度來看，PSK是所有二進制鍵控方式中最優(yōu)的一種,。
    通過以上分析,，由于QDPSK的頻譜利用率高于BPSK等方式，而抗噪聲性能要高于8PSK,，16QAM等,，且工程實現(xiàn)簡單，成本較低,，因此本設(shè)計選用QDPSK調(diào)制方式,。

3 數(shù)字正交上變頻器選擇
    數(shù)字上變頻器主要是對輸入數(shù)據(jù)進行各種調(diào)制和頻率變換，即在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)調(diào)制和混頻,。表1給出了具有代表性的數(shù)字上變頻器HSP-50215,，GC4114和AD9857三種芯片的性能比較。

    在比較了3種芯片的雜散性能和頻率分辨率等性能參數(shù)的基礎(chǔ)上,，可得出AD9857的工作頻率最高,，由于集成的高速直接數(shù)字合成器輸出頻率要小于系統(tǒng)時鐘的43％，因此輸出頻率范圍最大,。此外AD9857內(nèi)部的14位高性能高速數(shù)／模轉(zhuǎn)換器,，可提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定度。綜上所述,，本文采用AD9857實現(xiàn)毫米波系統(tǒng)數(shù)字上變頻,。

4 中頻調(diào)制設(shè)計
    本設(shè)計采用基于DDS技術(shù)的正交上變頻器AD9857與FPGA相結(jié)合的方案實現(xiàn)70 MHz中頻的QDPSK調(diào)制。系統(tǒng)框圖如圖2所示,。

    由圖2可知,，基于EP1Cl2F324的FPGA主要實現(xiàn)基帶信號處理、FPGA與AD9857的串口通信,、FPGA與AD9857的并口通信和時鐘控制設(shè)計,。
    信源首先經(jīng)串并轉(zhuǎn)換將輸入的單路串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙路并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率減半,，再經(jīng)過“差分編碼”轉(zhuǎn)換為相對碼,，通過并口送入AD9857進行絕對調(diào)相。在FPGA與AD9857串口通信中,，當CS為低電平時,，開啟AD9857的串口，F(xiàn)PGA通過SDIO將控制字發(fā)送給AD9857,，設(shè)置AD9857的工作方式,，當CS為高電平時，關(guān)閉AD9857的串口，串口通信仿真如圖3所示,。在FPGA與AD9857的并口通信中,，當TXEN-ABLE為高電平時，通過PDCLK讀取FPGA中的14位并行數(shù)據(jù)送入AD9857,，當TXENABLE為低電平時,，關(guān)閉AD9857的并口，并口通信仿真如圖4所示,。

    40 MHz晶振為EPlCl2F324提供系統(tǒng)時鐘；經(jīng)FPGA八分頻后通過SCLK送入AD9857中,，作為串口通信時鐘,；經(jīng)AD9857內(nèi)部PLL倍頻器五倍頻后，作為AD9857的內(nèi)部系統(tǒng)時鐘,。
    AD9857工作在正交調(diào)制模式,，14位并行I／Q數(shù)據(jù)分成兩路交替輸入，經(jīng)過CIC濾波器,，可編程內(nèi)插器后送人正交調(diào)制器,。DDS核產(chǎn)生正交本振信號到正交調(diào)制器，分別與I／O信號相乘后相加或相減,，產(chǎn)生正交調(diào)制信號,。最后通過14位DAC轉(zhuǎn)變?yōu)檎徽{(diào)制的模擬信號輸出。

5 結(jié)語
    采用AD9857和FPGA相結(jié)合的方法實現(xiàn)了中頻調(diào)制,，由于AD9857采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù),，消除了由模擬調(diào)制所引起的相位、增益的失衡和交調(diào)失真,。該設(shè)計簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，降低了成本，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性,。同時提出了一種采用兩次變頻的上變頻方案,，此方案降低了毫米波濾波器的設(shè)計難度，減弱了功率放大后的強發(fā)射信號泄漏對發(fā)射機性能指標造成的影響,。