作者：郭興波，楊知行，潘長勇（清華大學 微波與數字通信國家重點實驗室，北京 100084）

    摘要：首先討論了遙感衛星高速數據中頻接收解調系統的應用背景，然后介紹了一種新型多速率中頻QPSK解調器的組成和工作原理，并給出了該設備的性能測試方法和測試結果。

    測試結果表明該解調器在280~340Mbps速率范圍內均具有較好的誤碼率性能指標。

    要害詞：遙感衛星；信息系統；調制解調器；四相移相鍵控；載波恢復；比特同步

    一、引言

    近年來，國際上遙感衛星信息系統的技術研究取得了重大進展。從上世紀90年代末期開始，美國、以色列等發達國家開始大力發展高分辨率的偵察衛星系統。這些遙感衛星信息系統的遙感圖像數據傳輸速率基本在280~320Mbps之間，這樣就對地面接收解調系統提出了較高的技術要求：一方面在軌運行的遙感衛星迅速增多，迫切要求地面接收解調系統具有多功能通用的特點，即能接收多種速率、多種調制制式的遙感衛星信號；另一方面，遙感衛星的圖像數據傳輸速率隨著圖像分辨率的增強而不斷提高，而且有繼續提高的趨勢。

    目前國際上已有的中頻解調器一般只能夠處理某幾種定制的數據率，并采用如下的電路結構：①采用模擬Costas環提取相干載波；②針對每一種遙感衛星的特征設計一個特定的比特同步器，包括特定的基帶濾波、時鐘提取、取樣判決再生、差分譯碼和串并變換等功能單元，最后用開關選擇所需的比特同步器的數據和時鐘輸出，最多可容納6個特定的比特同步器。

    上述設備具有以下缺點：首先，高中頻、寬頻帶下的模擬Costas解調處理環路對電路的功能和性能要求高，電路穩定性差,引進設備在運行過程中的多次故障記錄已證實存在這一問題；其次，需要多個專門定制的比特同步器，系統可擴展性差，其應用范圍受到限制；再次是重復設置的設備和元器件使用量大，使設備成本高，價格昂貴，非凡是連接電纜的數量達到上百根，可靠性也受到影響。

    針對上述存在的問題，本文介紹了一種新型的中頻解調器。由于設計了一個通用的比特同步器，在100~340Mbit/s數據率范圍內可任意選擇工作速率，具有良好的可擴展性，同時采用了數字化的Costas載波恢復環路，提高了設備的可靠性。

    二、多速率中頻QPSK解調器的組成與工作原理

    多速率中頻解調器主要由以下幾部分組成（如圖1所示）。

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    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。為了保證輸入信號有50dB以上的電平動態范圍，需要由自動增益控制（AGC）電路，以保證輸出到解調單元的信號電平穩定。

    3.解調單元

    解調單元組成框圖如圖2所示，由包含分路器、相乘器、移相器的中頻正交解調電路、相干載波誤差提取電路、環路濾波器以及壓控振蕩器等組成。中頻正交解調電路將中頻調制信號變換成兩路正交的基帶信號，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電路具有優良的幅度不平衡度和相位不平衡的，需要設計性能優異的90°移相電路、模擬相乘器電路和分路電路，并且在電路結構上保證整個電路具有完美的對稱性，另外還需要在相互連接的電路模塊之間設計匹配電路，以保證正交支路和同相支路在很高的頻率、很寬的頻帶內都具有優良的不平衡度指標。相干載波誤差提取電路采用了數字處理Costas解調環路的邏輯，它由一系列判決器和模二和組件構成，電路簡單，具有非常好的一致性。假設x、y分別表示解調得到的兩路基帶信號，對于QPSK調制方式，數字處理Costas解調環路的基帶數字處理函數為

    4.比特同步單元

    比特同步單元由可編程時鐘恢復電路、差分譯碼電路等組成。可編程時鐘恢復電路完成符號率范圍50~170Mbps的基帶信號的定時恢復和數據再生，可編程時鐘恢復電路的基本組成框圖見圖3。該電路輸入一個NRZ碼，時鐘的提取由一個數字鎖相環和一個數字鎖頻環完成，一個定時抽樣電路完成時鐘和輸出數據的同步。鎖相環(PLL)由鑒相器、分頻器和電流振蕩器組成，電流振蕩器的頻率范圍由參數L［0-3］進行控制，并完全覆蓋50~170MHz。為了使頻率同步快速收斂，設計了一個包括鑒頻器、控制電路、頻率寄存器和數模變換器的FLL環路。

    三、誤碼率性能測試系統組成與測試結果

    本設備在遙感衛星地面實際的接收信道上進行誤碼率性能測試，其測試系統框圖見圖4。圖中虛線框內所示的是接收站的上行測試信道和實際使用的下行接收信道的示意圖，中頻頻率為720MHz，LNA（低噪聲放大器）可工作于X波段，本測試系統利用了LNA產生的熱噪聲作為系統的噪聲來源。頻綜為誤碼儀提供外時鐘，誤碼儀產生出兩路不相關的223－1序列，這兩路數據分別送到中頻調制器的I和Q數據輸入端，上變頻器將中頻調制器產生的中頻調制信號通過兩級上變頻器變換到X波段，通過一個射頻耦合器將信號注入到下行信道，兩級下變頻器將X波段的RF信號和接收信道本身的熱噪聲變換到中頻，中頻信號經過一個帶匹配器的分路器，分成兩路中頻信號，一路送到濾波器、功率計支路，進行信號和噪聲的功率計量，另一路送到中頻解調器，中頻解調器恢復出并行的數據和時鐘，取出I和Q路中的一路送到誤碼儀，分別測試I路和Q路的誤碼率，最后求出平均誤碼率。

    將中頻調制器的輸出功率調整至A1使誤碼儀指示約1×10－7，記錄誤碼儀的指示B1，這時測試的是I路數據誤碼率，然后測試Q路的誤碼率B2，取出平均誤碼率Ba。同時將下變頻器的輸出通過帶寬為BW1的帶通濾波器連接到功率計，帶通濾波器的帶寬為334MHz，讀出的數值為信號加噪聲的功率值P1。然后A1依次減小1dB，直到誤碼率到1×10－3左右，最后將測試調制器的輸出功率調整到－63dBm，此時只有噪聲功率，記錄此時的功率值P2。 根據圖5及以上的步驟，可以求出實際信號的歸一化信噪比：

    測試結果見圖5，數據率為320Mbps時，系統誤碼率在10－3~10－7范圍內，Eb/N0偏離理論值最大為1.82dB。同樣的方法得到280Mbps和340 Mbps時的誤碼率指標，見表1。

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    四、結論

    本文實現了一種新型的多速率中頻解調器，可以完成100~340Mbps速率范圍的解調和比特功能，并對該設備的誤碼率指標進行了測試，測試結果表明其誤碼率性能在10－3~10－7范圍內均達到了較好的指標，該設備的部分功能和指標均超過了同期進口設備的水平。

    參考文獻

    ［1］姚彥，梅順良，高葆新，等.數字微波中繼通信工程［Ｍ］.北京：人民郵電出版社，1990

    ［2］曹志剛，錢亞生.現代通信原理［Ｍ］.北京：清華大學出版社，1996