郝文慧， 蔡 伟， 王舰洋， 谢青梅， 刘世硕

(1.中国电子科技集团公司电子科学研究院， 北京 100041； 2.中国电子科技集团公司第十二研究所， 北京 100015)

0 引 言

随着互联网、大数据、移动通信等现代信息技术的突飞猛进，各类信息服务应用需求迫使无线通信向着更高的频谱利用率、更大的系统容量以及更广的覆盖范围发展。由于传统通信42 GHz以下频段的频谱资源紧张稀缺，提高工作频率以获取高带宽成为扩展通信容量最基本也最有效的途径[1-2]。高频毫米波以频率高、波束窄、电磁隐蔽性和抗干扰性能好等特性，在无线传输中展现出强大的优势。与低频段微波相比，高频毫米波受大气吸收和降雨衰落等环境因素影响严重，但高频段干扰源较少，空间传播稳定可靠；与可见光相比，高频毫米波系统对烟雾灰尘的穿透力较强，不会引起传输中断，具有较好的全天候通信能力[3-4]。其中，覆盖了60 GHz～90 GHz广阔频率范围的E波段毫米波，损耗相对较小，不超过0.5 dB/km，且71 GHz～76 GHz和81 GHz～86 GHz两个5 GHz带宽的完整子带宽已经被国际电信联盟确定为通信用频段，逐渐成为热点开发频段[5-7]，美国DARPA射频骨干网项目就是基于E波段实现[8]。得益于宽谱资源优势，E波段毫米波可实现超大容量空口传输速率，在各类无线通信中具有广阔的应用前景。

由于高频段大气衰减严重，同等传输距离条件下，通信频率的提升对辐射功率的要求倍增，具体到E波段无线传输系统，放大器输出功率甚至要达到数十瓦。因此，具有数十瓦级功率、高效回退操作、高温度稳定性等优势的行波管成为毫米波远距离通信系统的重要组成部分[9-10]。行波管是一种基于电子注与电磁波之间能量交换实现对高频电磁波放大的真空电子器件，依赖其独有的真空工作环境和收集及回收技术，使其天然的具备大功率、高效率的优势，而真空放大模块将行波管和配套的高压电源(十千伏以上)集成为一体，仅需外部低压供电，具备小型化、高可靠、使用便捷等优点，可为毫米波大容量远距离传输提供大辐射功率保障。为了验证E波段毫米波系统的无线传输能力，探索E波段超宽带、大容量毫米波无线传输的应用潜力，本文研制了基带信号处理模块、毫米波上下变频模块、真空放大模块等，设计了工作带宽不小于2 GHz，传输速率3.3 Gbps ～ 10.1 Gbps三档可调的毫米波无线传输系统。通过采用大功率耦合器和一对增益不小于25 dBi的矩形喇叭天线对系统进行了空口传输测试，验证了系统的传输性能。等同信噪比条件下，可传输距离不小于10 km，实现了超宽带、大容量毫米波信号的高性能无线传输。

1 E波段毫米波无线传输系统设计

根据香农定理，系统的链路容量C可表示为

(1)

式中：B为系统工作带宽；S为接收信号功率；N为接收机噪声功率。若以频谱效率为变量，式(1)可表示为

C=B×ηSE

(2)

式中：ηSE为频谱效率，受接收端信噪比限制。由式(2)可知，若要增大传输容量，一是要提升系统工作带宽和频带利用率；二是要应用高阶调制提升频谱效率。本文采用基于“正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)+ 高阶调制解调技术(64 QAM、16 QAM、QPSK三档可调)+ 低复杂度RS(Reed-solomon codes)编译码 + 信道估计/均衡 + E 波段真空放大”的技术方案实现E波段毫米波超宽带无线传输。系统架构如图1所示，毫米波通信系统包括发射机和接收机两部分，主要由基带信号处理模块、毫米波上下变频模块、E波段真空放大模块和毫米波天线等组成。其中，基带信号处理模块实现超宽带大容量信号的调制/解调、编码/解码、信道估计/均衡等；毫米波上下变频模块实现基带信号到E波段的上下变频转换；E波段真空放大模块实现毫米波信号的功率放大；毫米波天线实现信号的发射和接收。

图1 E波段毫米波通信系统架构

1.1 基带信号处理模块设计

基带信号处理模块采用软件无线电架构设计，按照“通用化、模块化、标准化”的设计原则，实现硬件通用化、功能软件化。基于FPGA 的模块软件设计架构如图2所示，主要包括参数配置接口、调制解调核心以及模数/数模转换等。PC接口逻辑进行收发数据包的解析，确定数据包类型后转发给对应的控制数据和业务数据模块。控制数据接口和业务数据接口根据数据类型完成控制命令方式传送，提供调制方式、速率、编码方式、带宽等基本物理层配置选项等，调制解调核心根据控制指令提供的配置参数对业务数据进行调制、解调处理，ADC和DAC接口逻辑实现对外部ADC芯片和DAC芯片的接口和控制逻辑，包括数据收发、转换以及校准测试等基本逻辑。

图2 基于SDR的基带信号处理模块设计架构

基带信号由4个窄带信号组成，4路OFDM信号通过载波聚合实现宽带信号，基带信号每帧数据开头包含两个导频帧头，分别用于帧同步和信道估计。业务数据采用高阶QAM调制和RS信道编码，不同的调制方式和不同码率的编码组合成不同的传输格式，不同调制格式下对应的传输速率分别为：QPSK调制下，传输速率为3.3 Gbps；16QAM调制下，传输速率为6.7 Gbps；64 QAM调制下，传输速率为10.1 Gbps，信号产生过程如图3所示。

图3 基带信号的产生过程示意图

1.2 毫米波上下变频模块

基带信号处理模块输出带宽不小于2 GHz、中心频率为1.536 GHz的宽带信号，通常混频器是双边带调制，如果直接上变频到E波段，上下边带距离太近，对高频段毫米波带通滤波器要求苛刻，因此，本文采用二次变频的方案，增加上下边带间的过渡带，降低对高频毫米波滤波器的要求。毫米波上变频模块架构设计如图4所示，主要由X波段上变频和E波段上变频功能模块组成，毫米波下变频模块结构与上变频模块基本一致。X波段上变频模块首先将基带输出的低中频信号上变频到X波段，然后通过E波段上变频模块实现X波段到中心频率为84.664 GHz的E频段变换。

图4 毫米波上变频模块设计架构

本文设计的毫米波上下变频模块实物如图5(a)所示，基带信号输入毫米波上下变频模块前后的频谱对比如图5(b)和(c)所示。由图示可看出，输入上下变频模块前，基带信号信噪比约31 dB，功率谱抖动约3 dB，从低频段到高频段单向变化，呈线性抖动趋势，易于进行均衡补偿。经过毫米波上下变频模块后信噪比为28 dB，恶化3 dB，功率谱抖动约6 dB，且呈现纹波抖动趋势，增大均衡补偿的难度。通过闭环测试，解调后三种调制格式误码率均可达到10-5量级。

图5

1.3 E波段真空放大模块

E波段真空放大模块集成了E波段行波管、与之配套的高压电源组件及相应的控制保护电路，整体设计架构如图6所示。

图6 E波段真空放大模块设计架构

其中，E波段行波管是真空放大模块的核心组成部分，主要由电子枪、聚焦系统、慢波系统、输能系统和收集极组成。采取的技术方案包括：采用聚焦极控制的皮尔斯电子枪产生高能电子注；利用周期永磁聚焦维持电子注在极细通道内的稳定传输；慢波系统作为电子注与电磁波产生能量交换的核心场所，采用全金属折叠波导结构，具有高功率容量、易加工的优点；输能系统采用金刚石盒型窗，实现射频输入输出信号低损耗传输；采用多级降压收集极提高电子回收效率从而提高总效率。通过采用电磁分析设计环境对电子枪进行优化仿真，采用三维电磁场仿真软件(Computer Simulation Technology，CST)对磁聚焦系统进行计算，用微波管模拟器套件(Microwave Tube Simulator Suite，MTSS)软件进行注波互作用模拟和多级降压收集级仿真设计，最终确定高性能行波管各组件设计参数及实施方案。

考虑到真空放大模块大功率的特点，将给器件散热带来较大挑战，利用Ansys对其进行热力学可靠性分析与优化，最终完成真空放大模块的集成，实物图如图7(a)所示。性能测试结果表明，83 GHz～86 GHz频带内，模块小信号增益不小于44 dB，1 dB压缩点输出功率超过45 W(46 dBm)，模块功率效率超过22%。图7(b)给出了模块的增益曲线，可见真空放大模块增益随频率变化较明显。对本系统带宽信号而言，受增益不平坦特性影响，真空放大模块大幅度增大信号功率的同时，引入了6～7 dB的功率抖动。

图7 真空放大模块实物图及其测试结果

2 E波段毫米波系统测试结果

在完成各模块研制与测试的基础上，为了验证E波段无线通信系统的传输性能，搭建了E波段无线传输系统原型样机，对不同传输速率下系统传输距离和误码率指标进行了实验测试，实验框图如图8所示，其中，毫米波天线增益为25 dBi。由于E波段大功率真空放大模块线性输出功率不小于30 W，在防护条件受限的情况下，为避免产生较大辐射，系统采用E波段30 dB耦合器将大部分信号能量利用大负载接收，少部分信号能量经过毫米波天线辐射，进行 1 m空口距离的传输性能测试。

图8 E波段毫米波无线系统空口传输测试框图

在理想的自由空间传播条件下，毫米波无线传输损耗可表示为

Loss=32.5+20lg(F)+20lg(D)

(3)

式中：F为无线传输信号的中心频率，MHz；D为空口传输距离，km。由式(3)可得，中心频率为84.664 GHz时，1 m的空口传输距离对应的毫米波空间传输损耗为70.9 dB。实验中，在保证误码率的条件下，通过调节可调衰减器的衰减系数找出不同传输速率对应的最大衰减值，从而得出系统的链路余量，测试结果如表3所示。等同信噪比条件下，传输速率为3.33 Gbps、误码率为10-6量级时，系统链路余量为33 dB，若采用50 dBi大增益天线，等效传输距离可达14 km；传输速率为6.67 Gbps、误码率为10-6量级时，系统链路余量为30 dB，若采用50 dBi大增益天线，等效传输距离可达10 km；传输速率为10.1 Gbps、误码率最小为10-5量级时，系统链路余量为30 dB，若采用50 dBi大增益天线，等效传输距离可达10 km。

表3 不同调制格式下系统的传输性能测试结果

理论上，误码率在10-6量级时，QPSK、16QAM、64QAM解调所需Eb/N0门限分别为7.1 dB、10.9 dB、15.4 dB。通过试验测试，不同调制格式信号经过基带模块、毫米波上下变频模块、真空放大模块后Eb/N0的变化如图9所示，对于QPSK和16QAM调制，基带信号Eb/N0与理论值门限相差不大，经过毫米波上下变频模块引入约4.5 dB的恶化，经过真空放大模块引入约4 dB的恶化，解调测试误码率都可达到10-6量级。对于64QAM调制，信号经过毫米波上下变频模块后Eb/N0门限为22 dB，解调测试误码率可达到10-6量级，系统接入真空放大模块后引入6～7 dB的功率谱抖动，超出均衡的补偿范围，测试误码率只能到10-5量级。

图9 E波段毫米波无线系统空口传输BER- Eb/N0理论曲线与实测值对比框图

3 待解决的问题和解决方法

通过实验发现，信噪比和功率平坦度是系统传输性能的主要制约因素，调制阶数越高，传输速率越大，解调所需的信噪比也越高。对于系统信噪比而言，本文基带信号处理模块所采用的DAC芯片分辨率为8 bit，输出基带信号信噪比为31 dB。理论上，DAC分辨率每增加1 bit，信噪比增大6.02 dB，若采用12 bit或更高分辨率的DAC，基带输出信噪比可增大约24 dB。同时，相比本文采用的RS信道编码，LDPC编码能提高2～3 dB的编码增益。因此为了提升系统信噪比，增大传输速率，缓解后续各个分系统的压力，下一步将从DAC芯片选型和信道编码方面改进基带信号处理模块。

同时，大功率真空放大模块需要采用高压电源供电，模块设计过程中要进一步改进供电方式，同时加强接地防护措施，保证使用安全。

此外，本系统真空放大模块引入的功率谱抖动较大(6～7 dB)，且受非线性效应影响，纹波式功率谱抖动增大了后续数字补偿的难度。为了减小放大增益不平坦特性影响，后续将引入预失真线性化器抑制真空放大模块的非线性效应。

4 结 语

本文设计实现了一套E波段10 Gbps级超宽带毫米波无线传输系统，详细介绍了系统各组成模块的设计思路与实物性能分析等，并采用大功率耦合器和增益为25 dBi的喇叭天线对整体系统的无线传输性能进行了空口传输距离1 m的性能测试。试验结果表明，系统可实现3.3 Gbps～10.1 Gbps三档不同传输速率下的高性能传输。等同信噪比条件下，3.33 Gbps的传输速率可等效传输14 km，误码率可达10-6量级；6.67 Gbps的传输速率可等效传输10 km，误码率可达10-6量级；传输速率为10.1 Gbps的传输速率可等效传输10 km，误码率可达10-5量级。同时，本文对系统性能的影响因素进行了分析，并给出了后续改进措施，为实现超宽带、大容量毫米波远距离无线传输奠定了技术积累和工程经验。下一步，本系统将进一步优化软硬件性能，提升产品成熟度，推动大容量E波段的无线通信系统的落地应用。