Article
Optoelectronics
January 2013 Vol.58
No.3: 427432
doi: 10.1007/s11434-012-5566-4
Broad-band direct QPSK modulator/demodulator for wireless
gigabit communication
CAO YuXiong1,2, WU DanYu1,2, LIU XinYu1,2* amp; JIN Zhi1,2*
1
2
Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
Key Laboratory of Microelectronics Devices amp; Integrated Technology, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100029, China
Received July 2, 2012; accepted August 8, 2012
The design and measured results of a broad-band direct quadrature phase shift keying (QPSK) modulator and demodulator are
described in this paper. The circuits are fabricated using 1-m GaAs HBT technology. To suppress the local oscillator (LO) leak-
age, the double-balanced mixer is selected as the core unit in the modulator/demodulator. An embedded four-way quadrature di-
vider which includes a Lange coupler and two Baluns is utilized in the system to generate quadrature-phase LO signals. As results
of a back-to-back test, the system can operate at data rates in excess of 2 Gb/s (1 Gb/s per I and Q channels) at 30 GHz. The sup-
plies of the modulator and demodulator are 5.0 V and 4.5 V with size of 1.35 mm3.5 mm and 1.36 mm3.4 mm, respectively.
HBT, direct conversion, modulator, demodulator, QPSK, gigabit communication
Citation:
Cao Y X, Wu D Y, Liu X Y, et al. Broad-band direct QPSK modulator/demodulator for wireless gigabit communication. Chin Sci Bull, 2013, 58:
427432, doi: 10.1007/s11434-012-5566-4
The growing data communication speed, bandwidth limita-
tion and congestions at lower frequencies have resulted in
the move toward high frequency system. Wireless systems
at Ka-band frequencies have various applications such as in
point-to-point, point-to-multipoint, and very small aperture
terminal (VSAT) systems. One of the most promising wire-
less communications service is the Local Multipoint Com-
munication Service (LMCS). Additionally, there is a great
demand on the Ka-band phased-array radar for military and
commercial applications, which includes communications,
navigation, weather forecast and so on. To meet the market
demands, many researchers have developed highly mono-
lithic microwave integrated circuits (MMICs) design and
compact chip size for the high speed system applications
[1,2].
fore, passive reflection-type demodulator and modulator
have been reported in various process [6–8] for millimeter-
wave (MMW) direct conversion systems, even gigabit data
rate. However, the local oscillator (LO) leakage and image
suppression in these transceivers need be carefully consid-
ered. Because the LO signal and RF signal are connected in
the same device. In addition, the baseband signals of the
refection-type modulators need be calibrated, which will
limit its applications.
The Ka-band has several features that render it ideal for
high-data-rate radio links. The wide bandwidth available
permits high speed transmission by utilizing a simple mod-
ulation scheme such as quadrature phase-shift keying (QPSK).
Most importantly, antennas with high gain and directivity
are easily realizable in this frequency range with apertures
less than 2.3 ft [9]. However, in the compact chip die the
passive components need be carefully considered to ensure
broad-band phase and amplitude balance of the IQ signals.
This paper presents a broad-band modulator and demodu-
lator using 1-m GaAs HBT technology for direct conversion
Direct conversion architecture (DCA) greatly reduces
front-end hardware complexity, lower cost and no image
frequency comparing to heterodyne technique [3–5]. There-
*Corresponding authors (email: xyliu@ime.ac.cn; jinzhi@ime.ac.cn)
copy; The Author(s) 2013. This article is published with open access at Springerlink.com
csb.scichina.com
www.springer.com/scp
428
Cao Y X, et al. Chin Sci Bull January (2013) Vol.58 No.3
transceiver system. The proposed modulation scheme is
direct QPSK. The double-balanced type mixers are selected
to suppress the LO leakage and improve the linearity. To
minimize the phase and amplitude imbalance of the differ-
ential signals of the LO and RF ports, a coplanar waveguide
(CPW) to coplanar-stripe (CPS) compact coupled 180° bal-
un is adopted to achieve a broad-band performance [10]. In
addition, an MMW 90° Lange coupler [11] and power com-
biner has been implemented in the HBT process to provide
equal amplitude and quadrature-phases signals for the mod-
ulator and demodulator. The architecture can reduce the
cost and power consumption due to these passive compo-
nents. Finally, the experimental results show the HBT mod-
ulator and demodulator MMICs feature good direct conver-
sion quality up to the gigabit data rate.
Figure 1
Block diagram of direct conversion modulator and demodulator.
type balun can no longer be fabricated, and the microstrip
Marchand-type balun is utilized. In this design, multi-layer
compact coupled structures will be adopted for broad-band
performance [10]. The unbalanced input is fed through a 50
Ω CPW line and the balanced output is taken through a
balanced CPS output lines. It is constructed with two strip
lines using metal 1 and m
全文共19946字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
宽带直接QPSK调制器/解调器的无线千兆通信
微电子研究所，中国科学院，北京100029，中国；
重点实验室微电子器件与集成技术、微电子研究所，中国科学院，北京100029，中国
2012年7月2日2012年8月8日
本文介绍了一个宽带直接正交相移键控的设计和测量结果（QPSK）调制器和解调器。该电路采用1-mu;m GaAs HBT工艺制作。为了抑制本地振荡器（LO），在调制器/解调器中选择了双平衡混频器作为核心单元。一个嵌入式四正交双视频包括兰格耦合器和两个变压器在系统中用来产生正交本振信号。作为一个后端测试的结果，该系统在30兆赫的数据传输速率可以达到2Gb/s（1 Gb/s每I 和Q 通道）。该调制器和解调器的电源为5 V和4.5 V大小分别为1.35毫米times;3.5毫米和1.36毫米times;3.4毫米。
HBT、直接转换、调制器、解调器、QPSK、千兆位通信
日益增长的数据通信速率，在较低的频率上带宽受限和拥挤导致通信系统走向高频系统。在Ka频段的无线系统等各种应用譬如点对点，点对多点，和最小孔径终端（VSAT）系统。一个最有前途的无线通信服务的本地多点通信服务（LMCS）。此外，对军用和商业应用的波段相控阵雷达有很大的需求，包括通信、导航、天气预报等。为满足市场需求，许多研究人员已经开发出高度单片微波集成电路（MMIC）并设计紧凑的芯片尺寸为了高速系统的应用[1,2]。
直接转换架构（DCA）大大降低了前端硬件的复杂性，成本低并且没有图像的频率与外差技术[ 3–5 ] 。因此，无源反射式解调器和调制器据报道在各种各样过程的毫米波（MMW）直接转换系统，甚至千兆数据速率。然而，本地振荡器（LO）在这些收发器泄漏和图像抑制需要仔细考虑。因为在同一设备上连接了信号和射频信号。此外，该反射型调制器的基带信号需要被校准，从而限制了其应用。
Ka频段有几个功能，是提供高数据速率的无线链路的理想选择。宽带允许高速传输，利用一个简单的调制方案，例如正交相移键控（QPSK）。最重要的是，具有高增益和方向性的天线是很容易实行的，在这个频率范围内的孔径小于2.3英尺[ 9 ]。然而，在紧凑的芯片的无源元件需要慎重考虑确保宽频带相位和IQ信号的振幅平衡。
本文提出了一种宽带调制器和解调器使用1-um GaAs HBT工艺直接转换收发器系统。该调制方式是直接QPSK。选择双平衡型混频器，抑制本地振荡，提高线性度。最小相位和幅度不平衡的差分信号LO和RF端口，共面波导（CPW）共面带（CPS）紧耦合180°不平衡变压器来实现宽带性能[ 10 ]。此外，毫米波90°Lange耦合器[ 11 ]和功率组件本已在HBT工艺的实施提供了调制器和相同的振幅和相位信号的解调器。该架构可以降低成本，因为这些无源器件的功耗。最后，实验结果表明，HBT的调制器和解调器MMIC特征良好的直接转换质量达到千兆数据速率。
1电路设计
为了简化收发器架构，降低系统的整体功耗，一个简单的调制方案，如直接QPSK中选择了这项工作。图1中示出的直接转换收发器系统的框图。基带信号（I和Q信号）通过上变频混频器的LO载波调制，并输出信号射频输出信号。然后，射频输出作为解调器的输入转换成四个正交信号（I, I , Q, Q ）的解调器。
调制器和解调器是在1-mu;m GaAs HBT工艺制作。这一过程提供了金属-绝缘体-金属（MIM）电容器作为介质和两金属层间的连接。HBT技术提供了最大测试偏差在58 GHz和最高频率60 GHz 。该电路模拟安捷伦先进设计系统（ADS）。被动元件包括变压器、Lange耦合器电容器和连接线是由一个全波电磁（EM）模拟器模拟（动量）[ 12 ]。最后，无源元件和有源器件的协同仿真模型在MMIC的性能的电路工作原理图中。
1.1无源正交分频器
被动元件包括变压器、Lange耦合器和威尔金森功率合成/分配器。一个Lange耦合器和两个变压器组成的移相网络，在混频器的等幅同相和正交相位信号的产生中扮演重要的角色。相结合的网络包括两个平衡变压器和一个威尔金森功率合成器将四信号转换成一个信号。
平衡变压器是平衡电路的拓扑结构的关键部件，像双平衡混频器，推挽放大器和移相器。电路的工作频率扩展到微波频段，变压器混合和LC型平衡变压器可以不再被制造，使用微带Marchand型平衡变压器。在本设计中，多层紧耦合结构将采用宽带性能[ 10 ]。不平衡的输入是通过一个50Ω共面波导传输线，平衡输出是通过一个平衡的CPS输出线。用金属1和金属2两条线构成。要获得适当的耦合，金属2比金属1窄。金属1的宽度是50mu;m，金属2的宽度是3mu;m。
其他重要的无源元件是90°Lange耦合器和功率组合器/分路器，它是由EDA工具自动化（ADS软件）设计的。90°Lange耦合器和180°平衡变压器的线路连接计算采用全波EM模拟器（ADS 动量）[ 11 ]。
图1 直接转换调制器和解调器的框图
1.2宽带直接转换QPSK调制器
吉尔伯特可以作为二进制相移键控（BPSK）调制，它有两个等幅相位（0°和180°）。在正交本振信号，QPSK调制器可以用两个BPSK调制器驱动扩展。结合两个BPSK调制器电压在威尔金森功率合成，形成一个QPSK调制器。QPSK调制器如图2所示。LO信号由Lange耦合器和变压器分为四相位信号，这是由吉尔伯特细胞混合。混合信号由平衡变压器和威尔金森功率合成/拆分组合成调制信号。
图2 图块的HBT的QPSK调制器
双平衡吉尔伯特单元被选中，由于其高线性度和高载波抑制，如图3所示。一个电流镜的中间频率（IF）数据的偏置。恒定电流源降低和差分射频输入晶体管具有双重作用：一个在建立直流工作电流；另一个作为射频开关部分的混频器[ 10 ]。然而，这将是以增加共模增益为代价的。因此，发射极电阻（Re = 25Omega;）用于RF阶段提高射频差分对的线性度。此外，它需要精确设计平衡变压器减少失衡的相位和振幅的LO和RF信号。
QPSK码型调制是通信信号中最常用的调制方式，主要是因为QPSK信号具有较高的频谱利用率和较高的抗干扰能力，尤其在无线通信中，QPSK调制方式已经占据了主导地位[[1]][[2]]。
QPSK，即正交相移键控，也称四进制移相键控，将传输信息存放于载波相位中。如图3.1所示，为QPSK调制示意图，QPSK信号可以看作两个载波正交2PSK信号的合成。先将输入的二进制数据进行极性NRZ编码，然后进行串并转换，分别与两路正交载波相乘，最后通过相加电路后得到输出信号。
直流偏置输入到差动LO信号对通过平衡变压器和LO四晶体管偏置在3mA。直接QPSK调制器在电源为5 V时的功耗为37 mA。
图3 Gilbert单元为QPSK调制器
1.3 broad-band直接转换QPSK解调器
QPSK解调器具有相同的框图和无源元件与调制器。直接向下变频的吉尔伯特的示意图如图4所示。基带有源匹配发射缓冲器集成在解调器。LO和RF信号混合在吉尔伯特细胞产生基带信号，这是增强的输出缓冲器。此外，发射极电阻（Re = 14Omega;）用于RF阶段提高混频器的线性度和稳定性差分对。
RF和LO信号通过平衡变压器偏置。输出缓冲区的当前源是在当前镜像配置中有偏差的。该解调器在4.5伏电源时消耗70毫安电流。
图4 双平衡吉尔伯特直接下变频
2 测量结果
QPSK调制器和解调器的摄影如图5和图6所示。调制器和解调器的模尺寸分别为1.35毫米times;3.5毫米和1.36毫米times;3.4毫米。调制器和解调器的供应电压分别为5v和4.5v。这些芯片组封装在评估板进行测量，包括基带平衡变压器和电源偏置。
2.1 QPSK调制器的特性
QPSK调制器的测量设备包括基带IQ源（Agilent E8267D），波形的任意波形发生器（Agilent 81134A），LO源（Agilent N5183），频谱分析仪（Agilent E4440A）和矢量信号分析仪（Agilent 93204A 示波器）。测量系统的设置如图7所示。
调制器由36 Ms / s的25 GHz的LO信号的数据速率的QPSK调制。该调制器的输出频谱的测量如图8所示，这表明相邻信道功率比（ACPR）为－37 dBc。
正交相移键控（QPSK）是一种数字调制方式，它的频带利用率高，是二相相移键控的两倍。它分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存在相位模糊的问题，所以在实际中主要采用相对相移方式DQPSK。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。
在数字信号的调制方式中QPSK四相相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单。
在高速光传输系统中主要利用DP-QPSK相干光传输技术，其
主要技术包括，QPSK码型调制、偏振复用技术、接收端的相干检测技术及DPS处理技术。
矢量信号分析，模拟32 GHz带宽的示波器Agilent 93204a用于QPSK调制器测量。图9说明了测量的输出频谱的LO信号在25 GHz的1 Gb / s的伪随机比特流QPSK数据速率（PRBS）/ I和Q通道。在QPSK猎户的点可以摊匀成“广场”。测得的误差向量幅度（EVM）的QPSK调制在6%。的QPSK频谱的裂片在这个比特率可见，具有良好的本振抑制
图9测量结果在25 GHz的QPSK调制，
星座图，输出频谱和性能综述
图6模与1.36毫米times;3.4毫米芯片尺寸的QPSK
解调器摄影
图5模与1.35毫米times;3.5毫米芯片尺寸的QPSK
调制器的摄影
图7 调制器的毫米波矢量测量系统框图
图8测量输出频谱的QPSK调制器在25 GHz和36 MS/s 的ACPR－37 dBcQPSK调制
2.2 QPSK解调器的特点
相位和振幅的不平衡是 QPSK解调器的重要的性能。双信号源（Ag-ilent N5183 和Agilent E8267D）是用来测量这种不平衡的。示波器输出 I＋, I－, Q＋ 和 Q－的时域波形。图10 再现了四基带输出波形与相应的输出时间在20 GHz的LO。在四个输出中观察到轻微的振幅和相位的不平衡。
2.3 QPSK解调器的特点
调制器和解调器进行后端测试。在调制器和解调器之间插入一个衰减器。测量设置如图11所示。数据发生器Agilent 81134A 和示波器Agilent 93204A是用来衡量比特流。该系统的LO信号采用30兆赫的一个频率源。图12显示的眼图在I和Q输出的接收机在2 Gb/s（每通道1 Gb / s）与PRBS序列的比特率。在I和Q没有相位校准眼图1 Gb / s的比特率由于没有变量移相器和LO信号解调器之间。要观察到，眼图实现了基带信号的满意恢复。
表1是以往报道的调制器和解调器的各种技术和拓扑结构的性能总结。比较这些调制器和解调器，我们提出了采用GaAs HBT工艺和数据速率高达2 Gb / s的小尺寸芯片。
图10当FLO=20GHz和FIF=10MHz时，I＋，I－，Q＋,Q－输出随时间的变化
图11测量系统设置为调制器和解调参数测试
图12测量眼图在I和Q输出对应于2 Gb/s QPSK数据传输（1 Gb / s的每个I和Q通道）
3 结论
本文介绍了采用1-mu;m GaAs HBT技术的无线千兆应用，频率在20到30 GHz的QPSK调制器和解调器。该芯片适用于宽带数字QPSK调制，因为其宽带宽，具有低EVM退化和好的ACPR性能。因此，调制器和解调器可以在Ka频段的高速通信应用。它表明，在后端的配置，调制器和解调器可以工作在超过2Gb/秒，在30GHz。因此，这些芯片组提供了一个低成本的解决方案和高数据率信号的宽带应用。
正交相移键控（QPSK）是一种数字调制方式，它的频带利用率高，是二相相移键控的两倍。它分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存在相位模糊的问题，所以在实际中主要采用相对相移方式DQPSK。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。
在数字信号的调制方式中QPSK四相相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰
全文共8641字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[154842]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
