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一種高達(dá)340Mbps的多速率QPSK解調(diào)器

云知道

作者：郭興波，楊知行，潘長(zhǎng)勇（清華大學(xué) 微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）
摘要：首先討論了遙感衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)中頻接收解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用背景，然后介紹了一種新型多速率中頻QPSK解調(diào)器的組成和工作原理，并給出了該設(shè)備的性能測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果 。
測(cè)試結(jié)果表明該解調(diào)器在280~340Mbps速率范圍內(nèi)均具有較好的誤碼率性能指標(biāo) 。
要害詞：遙感衛(wèi)星；信息系統(tǒng)；調(diào)制解調(diào)器；四相移相鍵控；載波恢復(fù)；比特同步
一、引言
近年來，國際上遙感衛(wèi)星信息系統(tǒng)的技術(shù)研究取得了重大進(jìn)展 。從上世紀(jì)90年代末期開始，美國、以色列等發(fā)達(dá)國家開始大力發(fā)展高分辨率的偵察衛(wèi)星系統(tǒng) 。這些遙感衛(wèi)星信息系統(tǒng)的遙感圖像數(shù)據(jù)傳輸速率基本在280~320Mbps之間，這樣就對(duì)地面接收解調(diào)系統(tǒng)提出了較高的技術(shù)要求：一方面在軌運(yùn)行的遙感衛(wèi)星迅速增多，迫切要求地面接收解調(diào)系統(tǒng)具有多功能通用的特點(diǎn)，即能接收多種速率、多種調(diào)制制式的遙感衛(wèi)星信號(hào)；另一方面，遙感衛(wèi)星的圖像數(shù)據(jù)傳輸速率隨著圖像分辨率的增強(qiáng)而不斷提高，而且有繼續(xù)提高的趨勢(shì) 。
目前國際上已有的中頻解調(diào)器一般只能夠處理某幾種定制的數(shù)據(jù)率，并采用如下的電路結(jié)構(gòu)：①采用模擬Costas環(huán)提取相干載波；②針對(duì)每一種遙感衛(wèi)星的特征設(shè)計(jì)一個(gè)特定的比特同步器，包括特定的基帶濾波、時(shí)鐘提取、取樣判決再生、差分譯碼和串并變換等功能單元，最后用開關(guān)選擇所需的比特同步器的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸出，最多可容納6個(gè)特定的比特同步器 。
上述設(shè)備具有以下缺點(diǎn)：首先，高中頻、寬頻帶下的模擬Costas解調(diào)處理環(huán)路對(duì)電路的功能和性能要求高，電路穩(wěn)定性差,引進(jìn)設(shè)備在運(yùn)行過程中的多次故障記錄已證實(shí)存在這一問題；其次，需要多個(gè)專門定制的比特同步器，系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，其應(yīng)用范圍受到限制；再次是重復(fù)設(shè)置的設(shè)備和元器件使用量大，使設(shè)備成本高，價(jià)格昂貴，非凡是連接電纜的數(shù)量達(dá)到上百根，可靠性也受到影響 。
針對(duì)上述存在的問題，本文介紹了一種新型的中頻解調(diào)器 。由于設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的比特同步器，在100~340Mbit/s數(shù)據(jù)率范圍內(nèi)可任意選擇工作速率，具有良好的可擴(kuò)展性，同時(shí)采用了數(shù)字化的Costas載波恢復(fù)環(huán)路，提高了設(shè)備的可靠性 。
二、多速率中頻QPSK解調(diào)器的組成與工作原理
多速率中頻解調(diào)器主要由以下幾部分組成（如圖1所示） 。

【一種高達(dá)340Mbps的多速率QPSK解調(diào)器】 1.中頻濾波器單元
中頻濾波器單元完成中頻輸入匹配、中頻濾波成形功能，由8路中頻切換開關(guān)和若干中頻濾波器組成 。中頻濾波器采用高Q電容加載梳狀濾波器，帶外抑制大于35dB，過渡帶近似滿足奈奎斯特滾降 。
2.AGC放大單元
AGC放大單元由壓控增益放大器和AGC控制電路組成 。為了保證輸入信號(hào)有50dB以上的電平動(dòng)態(tài)范圍，需要由自動(dòng)增益控制（AGC）電路，以保證輸出到解調(diào)單元的信號(hào)電平穩(wěn)定 。
3.解調(diào)單元
解調(diào)單元組成框圖如圖2所示，由包含分路器、相乘器、移相器的中頻正交解調(diào)電路、相干載波誤差提取電路、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器等組成 。中頻正交解調(diào)電路將中頻調(diào)制信號(hào)變換成兩路正交的基帶信號(hào)，基帶放大濾波電路具有良好的阻抗匹配，壓控振蕩器(VCO)要有盡量低的相位噪聲 。為了保證中頻正交解調(diào)電路具有優(yōu)良的幅度不平衡度和相位不平衡的，需要設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的90°移相電路、模擬相乘器電路和分路電路，并且在電路結(jié)構(gòu)上保證整個(gè)電路具有完美的對(duì)稱性，另外還需要在相互連接的電路模塊之間設(shè)計(jì)匹配電路，以保證正交支路和同相支路在很高的頻率、很寬的頻帶內(nèi)都具有優(yōu)良的不平衡度指標(biāo) 。相干載波誤差提取電路采用了數(shù)字處理Costas解調(diào)環(huán)路的邏輯，它由一系列判決器和模二和組件構(gòu)成，電路簡(jiǎn)單，具有非常好的一致性 。假設(shè)x、y分別表示解調(diào)得到的兩路基帶信號(hào)，對(duì)于QPSK調(diào)制方式，數(shù)字處理Costas解調(diào)環(huán)路的基帶數(shù)字處理函數(shù)為

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