郝志松，張文靜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

太赫茲波通過(guò)大氣時(shí)，由于水蒸氣的影響，衰減嚴(yán)重，但在大氣層外的太空，對(duì)太赫茲波具有強(qiáng)吸收的水分等物質(zhì)非常稀薄，因此太赫茲電磁波可作為信息載體，用于衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與飛船或太空探測(cè)器之間的高速數(shù)據(jù)通信［1］。

太赫茲電磁波可作為星間寬帶信息載體，相對(duì)于微波通信，具有通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)以及收發(fā)設(shè)備尺寸小等優(yōu)點(diǎn);相對(duì)于光通信，具有能量效率高和穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。太赫茲星間數(shù)據(jù)傳輸具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但截止目前為止，國(guó)內(nèi)關(guān)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(tǒng)的電子學(xué)和光學(xué)的技術(shù)和器件都不能完全滿足太赫茲波的需求，不能直接應(yīng)用到太赫茲通信，因此需要結(jié)合兩方面的知識(shí)，開(kāi)發(fā)全新的技術(shù)和元器件［2］。

為了進(jìn)行太赫茲寬帶通信功能演示，設(shè)計(jì)了一種星間太赫茲通信發(fā)射演示系統(tǒng)方案，為太赫茲技術(shù)應(yīng)用于通信領(lǐng)域提供技術(shù)參考。

1 總體設(shè)計(jì)

太赫茲高速通信演示系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行功能演示，傳輸距離為100 m，碼速率為1.2 Gbps，采用QPSK調(diào)制方式和編碼效率為7/8的LDPC編譯碼;根據(jù)演示環(huán)境的信號(hào)衰減情況，傳輸載波頻點(diǎn)為344 GHz;經(jīng)過(guò)鏈路預(yù)算，確定發(fā)射的天線增益為50 dB，可滿足系統(tǒng)要求。發(fā)射演示系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射演示系統(tǒng)功能框圖

發(fā)射演示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源由誤碼儀產(chǎn)生，誤碼儀通過(guò)并行方式發(fā)送偽隨機(jī)序列至信道編碼器，編碼器進(jìn)行信道編碼后，由調(diào)制器進(jìn)行符號(hào)映射并對(duì)X頻段載波進(jìn)行調(diào)制，最后經(jīng)過(guò)發(fā)射組件輸出太赫茲調(diào)制信號(hào)。在發(fā)射端可通過(guò)示波器觀測(cè)基帶映射信號(hào)的星座點(diǎn)，通過(guò)頻譜儀和頻率擴(kuò)展器件觀察太赫茲信號(hào)頻譜。

1.1 LDPC信道編碼器設(shè)計(jì)

采用碼長(zhǎng)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(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，分為8路，然后將8路數(shù)據(jù)分為2組，每4路分別采用1個(gè)子編碼器進(jìn)行編碼，每個(gè)子編碼器可以通過(guò)內(nèi)部并行實(shí)現(xiàn)同時(shí)處理4路數(shù)據(jù)。編碼完畢后，將每個(gè)子編碼器的輸出各自合并為1路，分別作為調(diào)制器的I、Q 2路輸出。實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 LDPC編碼框圖

1.2 調(diào)制器設(shè)計(jì)

圖3 微波調(diào)制器原理框圖

X頻段的本振源中有60 MHz參考信號(hào)送入鎖相環(huán)芯片ADF4113，該鎖相環(huán)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(biāo)優(yōu)良;鎖相環(huán)路輸出的信號(hào)進(jìn)入倍頻器，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)微帶交指濾波器，以便提純出8 GHz本振信號(hào);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(jí)放大器，以得到功率為13 dBm的本振電平。

經(jīng)過(guò)仿真，鎖相環(huán)路的帶寬取4.2 kHz，相位裕量為50°，相位噪聲指標(biāo)可達(dá)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(jīng)過(guò)正交調(diào)制后的信號(hào)采用模擬的帶通濾波器進(jìn)行頻譜成形。

1.3 發(fā)射組件設(shè)計(jì)

發(fā)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(xì)的方案框圖如圖4所示。

圖4 發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(hào)的合路器。采用VDI公司型號(hào)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(dǎo)接口與拋物面天線連接。

中頻信號(hào)混頻采用低中頻方案，頻譜在混頻器本振左右會(huì)出現(xiàn)鏡像頻譜，由于在太赫茲頻段濾波器阻帶抑制指標(biāo)一般都不是很理想，約在6 dB，為了解調(diào)時(shí)不影響解調(diào)性能，解調(diào)必須采用高本振進(jìn)行下變頻，以確保帶內(nèi)頻譜不混疊。

變頻本振源采用VIVA公司的產(chǎn)品WTPLO_05鎖相震蕩源，功率達(dá)到10 mW，滿足混頻器對(duì)本振的驅(qū)動(dòng)能力要求;相位噪聲在100 kHz時(shí)，達(dá)到-93 dBc/Hz，達(dá)到一般恒溫晶振的相噪水平。

濾波器選用VDI公司的定制產(chǎn)品，或采用國(guó)內(nèi)相關(guān)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(tǒng)要求。

1.4 天線設(shè)計(jì)

太赫茲天線原理樣機(jī)主要由天線主、副反射面，饋源網(wǎng)絡(luò)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(dòng)調(diào)整功能，方便原理樣機(jī)的測(cè)試驗(yàn)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(duì)天線主副反射面進(jìn)行賦形。賦形設(shè)計(jì)時(shí)饋源的輻方向圖采用實(shí)測(cè)的近場(chǎng)方向圖，天線口面場(chǎng)分布函數(shù)為高斯函數(shù)形式，采用幾何光學(xué)法對(duì)主副面進(jìn)行賦形。

傳統(tǒng)的圓口徑拋物面天線為了實(shí)現(xiàn)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(nèi)實(shí)現(xiàn)波束寬度不變、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)、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(fù)雜，工藝要求較高。尤其是在高頻段，由于相關(guān)加工尺寸過(guò)小，加工困難。

多模圓錐喇叭可以在5%～12%帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)以及高效率照射。而且多模圓錐喇叭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，更容易實(shí)現(xiàn)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(jí)饋源。

按照使用頻段設(shè)計(jì)了一個(gè)多模圓錐喇叭，在天線饋源17°照射角內(nèi)E面和H面實(shí)現(xiàn)了等化，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(jí)饋源的首選。

2 需要解決的問(wèn)題

2.1 高速信道編碼器的時(shí)序設(shè)計(jì)

高速信道編碼在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，由于信號(hào)處理的主頻較高，需要保證各信號(hào)處理模塊之間正確的時(shí)序關(guān)系，即時(shí)鐘到每個(gè)時(shí)序器件的時(shí)延相等，因此采用公共時(shí)鐘時(shí)序約束和調(diào)整技術(shù)，解決各元器件間的時(shí)序配合問(wèn)題。

2.2 如何保證寬帶調(diào)制器正交特性

寬帶調(diào)制器的正交特性，直接影響數(shù)傳系統(tǒng)的誤碼率性能。信號(hào)帶寬變寬后，幅度平衡性和相位正交性設(shè)計(jì)難度加大，需要采用時(shí)延控制元件，優(yōu)化微波電路正交兩路信號(hào)的幅度和時(shí)延［4］。

2.3 如何調(diào)整天線的方位角度

如果要達(dá)到太赫茲天線的增益要求，波束角度只有1°，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)，存在天線的捕獲對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。因此需要設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)，使天線的方位和俯仰角度可調(diào);另外，需設(shè)計(jì)天線對(duì)準(zhǔn)的誤差提取方案，進(jìn)行天線對(duì)準(zhǔn)偏差的測(cè)量。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 LDPC碼時(shí)序調(diào)整技術(shù)

由于LDPC編碼［5］的碼速率較高，即使采用了并行方式，數(shù)據(jù)處理的最高時(shí)鐘速率也達(dá)到300 MHz。采用FPGA內(nèi)部時(shí)序約束和面積約束相結(jié)合的方式，進(jìn)行電路時(shí)序設(shè)計(jì);采用公共時(shí)鐘處理，保證時(shí)鐘源到每個(gè)觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)延差在100 Ps以內(nèi)［6］。對(duì)于采用約束方式仍然不能達(dá)到要求的部分電路，采用FPGA內(nèi)部底層調(diào)整的方式，手動(dòng)調(diào)整電路中元器件位置和信號(hào)路徑。為了獲得一定的調(diào)整空間，F(xiàn)PGA內(nèi)部資源的消耗控制在60%以內(nèi)。

3.2 寬帶正交調(diào)制技術(shù)

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(shí)現(xiàn)，由于微波頻率高、信號(hào)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(diào)制器精度、減小矢量誤差，準(zhǔn)備采用如下技術(shù):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(diào)制器的精度，由于控制特性通常是單調(diào)變化的，因此有可能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制;再者是在I/Q的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)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(yīng)用中，應(yīng)保證I、Q端口從直流至3倍于載波頻率的頻帶內(nèi)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(diào)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(jīng)過(guò)以上措施，寬帶基帶信號(hào)可直接調(diào)制到中頻，正交調(diào)制器的相位不平衡在±3°以內(nèi)，幅度不平衡在±1 dB以內(nèi)，載波抑制度應(yīng)達(dá)到20 dB以上。

3.3 天線方位角度調(diào)整

天線座選用方位-俯仰(A-E)2軸結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)等裝置組成。方位底座采用鋁合金鑄件結(jié)構(gòu)，它是整個(gè)天線座的支撐機(jī)構(gòu)。方位底座中心安裝方位轉(zhuǎn)軸。俯仰部分由俯仰支架、左右軸承座、俯仰驅(qū)動(dòng)及俯仰扇形齒輪等機(jī)構(gòu)組成。方位和俯仰均設(shè)置有手輪，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)天線的方位俯仰角度。

4 性能測(cè)試結(jié)果分析

LDPC信道編碼器和微波正交調(diào)制器的設(shè)計(jì)已完成，可測(cè)試到X頻段頻譜和基帶數(shù)據(jù)的星座點(diǎn)。X頻段調(diào)制信號(hào)的碼速率達(dá)到1.2 Gbps、EVM達(dá)到4%以下，指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

X頻段已調(diào)制信號(hào)的輸出功率為5 dBm，比設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)值高2 dBm，主要原因是X頻段輸出口沒(méi)有加入匹配電阻。在實(shí)際的發(fā)射演示系統(tǒng)中，為了和后端的發(fā)射組件進(jìn)行良好的匹配，需要X頻段正交調(diào)制器輸出端加入2 dB的衰減器。此時(shí)X頻段信號(hào)的功率將為3 dBm，同設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)計(jì)值一致。

以上是對(duì)已設(shè)計(jì)完成的部分環(huán)節(jié)的測(cè)試結(jié)果分析，太赫茲發(fā)射系統(tǒng)的整體指標(biāo)測(cè)試和分析將在太赫茲寬帶通信演示系統(tǒng)全部研制完成后進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

太赫茲空間通信具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但截止目前為止，關(guān)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(tǒng)電子學(xué)和光學(xué)的技術(shù)和器件都不能完全滿足太赫茲波的需求，不能直接應(yīng)用到太赫茲通信，因此需要結(jié)合兩方面的知識(shí)，開(kāi)發(fā)全新的技術(shù)和元器件。但隨著高功率的太赫茲光源、高靈敏度的探測(cè)技術(shù)及高穩(wěn)定性系統(tǒng)技術(shù)的日益突破，具有眾多優(yōu)勢(shì)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(fā)射演示系統(tǒng)方案是在現(xiàn)有元器件技術(shù)水平上，探討一種采用寬帶正交調(diào)制、諧波混頻、太赫茲天線設(shè)計(jì)和組件集成等技術(shù)搭建的星間太赫茲通信發(fā)射系統(tǒng)的方案，為太赫茲技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

［1］初洪娜.關(guān)于太赫茲通信技術(shù)的綜合分析探討［J］.高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2011(14):34-35.

［2］姚建銓?zhuān)t楠，楊鵬飛.太赫茲通信技術(shù)研究與展望［J］.中國(guó)激光，2009，36(9):25-27.

［3］王成，林長(zhǎng)星，鄧賢進(jìn)，等.140 GHz高速無(wú)線通信技術(shù)研究［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2011，33(9):2263-2266.

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

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