一种相位调制的微波移相实现新设计

摘要 相位调制有多种实现方法。常见的是正交调制。文中提出了一种采用微波移相技术实现相位调制的新设计，通过与正交调制方法进行对比，实现了2，8，16，32和64相的相位调制。实测表明，文中设计的移相误差1.2°，误码率达到了常见的正交相位调制实现技术的误码水平。此外新设计无需常见的正交相位调制实现技术所必须的数模转换器、正交调制器和混频器，使系统得以简化，且成本有所降低。

相位调制有多种实现方法，既有模拟方法，也有数字方法。近年来，随着数字技术和软件无线电技术的发展，数字通信逐渐成为主流。相位调制技术研究也主要集中在数字方法方面。文献提出基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字相位调制的实现方法，并采用直接频率合成技术和查找表技术，在一片FPGA芯片上实现适用于卫星通信的相位调制技术。但由于其对数字处理芯片的处理速度要求较高，所以其应用仅限于专业研究领域。文献介绍了数字通信系统中相位调制的多种实现方法，包括模拟相位选择方法、键控相位选择法和正交调制法。模拟相位选择方法和键控相位选择法是早期基于模拟相位调制的实现方法，目前已很少使用。而正交调制法适应了数字技术的发展需要，能实现绝对调相和相对调相，也可实现多进制调相，是目前最常用的相位实现方法。但正交调制法需要与数模转换器件及正交调制器联合使用，有时还需上变频器，因此成本较高。

当前，微波移相技术得到了广泛研究。而简单、低成本的移相实现技术一直是研究的热点，文献设计了一种新型的适用于相控天线阵的Radant透镜式移相器，但对其在相位调制系统中的应用未作研究。文献提出一种基于微波移相系统的PSK调制技术，但对设计的测试结果缺乏深入的对比和分析，本文结合相位调制和微波移相技术提出了采用正交调制和微波移相两种方法实现相位调制的新设计。实现了2，4，8，16，32和64相的相位调制，同时对其进行了对比。实际测试表明，采用该技术制作的无线发射系统进行通信，误码率达到了常用正交调制器的误码水平，结构简化、成本更低。

1 相位调制的新设计

M相相位调制的载波信号为

Sk(t)=Acos(ωct+θk) (1)

其中，A是常数，由发射机的发射能量决定;ωc是载波角频率;θk是由第k个基带数字信号比特位决定的载波相位，θk∈{2πi/M+θ}，i=1，2，…，M-1;θ为初相;M=2，4，8，16，32，64等。

M-PSK信号矢量星座图如图1所示。

新设计的框架如图2所示，结合了两种方案。一种是传统的正交调制方法，在图2中用“The Orthogonal Method”表示，其包括一个数模转换器件(DAC)、一个正交调制器(OM)、一个中频数字频率合成和压控振荡器(IF-NCO)以及一个上混频器(mixer)。其中，DAC将来自FPGA的基带数字信号转换为模拟信号。OM用输入的基带信号调制IF-NCO输入的中频余弦信号。mixer将正交调制后的信号和来自NCO角频率为ωc-ωi的余弦信号混频后形成最终的已调载波。

图2的上半部分是采用微波移相实现相位调制的新方法，表示为“The New Method”。整个系统以FPGA为核心，包括一个NCO和一个微波调相网络WPN。NCO和WPN在FPGA的控制下协调工作。NCO在FPGA的控制下产生余弦载波信号cos(ωct)。余弦载波信号cos(ωct)经过微波调相网络WPN时，FPGA根据基带信号按照图1的星座图控制WPN，使载波的相位按式(1)变化，实现载波信号的相位调制。可以看到，两种方案的已调载波均经过微波调相网络WPN，这样做是为了保证在基带信号相同时两种方案均具有相同的信噪比(SNR)，通过改变FPGA的程序便可比较其性能。微波调相网络WPN是本设计的关键部分，此处采用6位数字移相器实现。

MPN是新设计的核心，由6个级联的基本移相单元(BPSC)组成。每个BPSC由两个射频开关(SW)和两根长度不同的微带线组成。在FPGA的控制下，BPSC选择载波经过的微带线，两条微带线的电长度之差即为移相角度。6个移相网络单元之间相互独立，串联组成6位数字移相器，开关ON时移相，开关OFF时不移相。6位数字移相器实现的相移度数分别为5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°，其结构如图3所示。

由图3可看出，FPGA通过6根信号线分别控制6个移相网络单元实现移相。当控制信号为0时，移相网络单元选择短微带线为通路，长微带线为开路。当控制信号为1时，移相网络单元控制长微带线导通，短微带线断开。而当控制两条微带线的通断即可实现射频信号的固定相移。整个移相器电路可分为两部分：移相