基于基片集成波导互连的qpsk高速数据传输系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，包括正交相移键控(QPSK)调制模块、基片集成波导互连结构以及QPSK解调模块，其中，所述QPSK调制模块对输入的二进制信号进行调制，所述QPSK解调模块对接收信号进行解调输出，所述基片集成波导互连结构作为系统互连传输信道，连接QPSK调制模块和QPSK解调模块。本发明将基片集成波导结构和QPSK调制解调技术应用于微波频段的高速互连系统，输入的二进制信号经过QPSK调制，传输速率降为原来的1/2，再经基片集成波导互连传输，接收信号经过QPSK解调输出，恢复为二进制比特序列，从而实现高速率的数据传输。
【专利说明】基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波基片集成波导(SIW)、正交相移键控(QPSK)调制解调和微波频段的高速互连【技术领域】，具体是一种基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统。
【背景技术】
[0002]随着通信系统数据传输速率的不断提高，所使用频段正在朝着高频微波毫米波发展。在这一频段上，传统的互连有着不可克服的缺点。首先，虽然传统互连线的频带覆盖了从直流到高频段很宽的频谱，但在高频段传输损耗会明显增加；其次，随着片上系统趋于小型化，多根互连线之间存在严重的耦合串扰问题；再次，严重的色散效应和辐射效应也是不容忽视的问题；这些因素会导致信号发生衰减和畸变，影响信号的完整性，进而制约了其在高速数据传输中的应用。因此,寻求一种高性能、易集成、体积小、成本低的高速互连结构一直是高速数据传输的研究热点。
[0003]基片集成波导(SIW)是由传统介质填充矩形波导演变而来的，其基本结构是由双面覆铜的介质基板和基板上两排平行的周期性金属通孔所构成。由于每排金属通孔的孔间距远远小于波长，因此由缝隙泄露的能量很小，相当于内部填充了介质的矩形波导。两排周期性金属通孔起到了电壁的作用，将产生的电磁能量中的绝大部分限制在金属壁之间的空间内传播。基片集成波导不仅克服了传统互连的缺点，在高频段具有损耗小、串扰低、Q值高、高宽带及通带平坦等优点，而且其易于加工，易集成，成本低廉，大大增加了其实用性。由于高频电磁波可以低损耗地在SIW中传输，因此可以利用基片集成波导传输高速数字信号。
[0004]正交相移键控(QPSK)是一种常用的数字信号调制方式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性且电路实现较为简单。它是利用载波的四种不同相位来表示数字信息，每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个比特来表示。设两个二进制码元中的前一个码元用a表示，后一个码元用b表示，ab的四种组合，即00，01，10，11，分别代表四种不同的载波相位45°，135° ,225° ,315°，即比特信息是通过载波的四种相位来实现传递的，因此，QPSK中每次调制可传输2个信息比特，提高了频带利用率。正是由于QPSK调制方式的抗干扰性强、误码性能好以及频谱利用率高等优点，广泛应用与数字微波通信系统等领域。
[0005]最近，国际上已经将基片集成波导引入高速互连技术。AsaneeSuntives在2007年首次提出了一种基于基片集成波导互连的高速数据传输系统(Design andcharacterization of the EBG waveguide-based interconnects, IEEE Trans.Adv.Packag.，基于电磁带隙波导结构互连的设计和性能分析，2007)，针对SIW在高速互连中的应用，设计了一种基于基片集成波导互连的高速数字传输系统。该系统使用混频器对基带信号进行简单的上下变频处理来实现信号在SIW中的传输，由于采用简单的调制解调方式，其系统频带利用率较低，制约了系统的数据传输速率，其数据传输速率最高仅为5Gbps。
[0006]上述传统互连技术在微波频段的应用中存在着高损耗、高串扰、强色散等缺点，限制了其在高速数据传输中的应用；上述文献报道的基于SIW互连的数据传输系统，采用简单的调制解调方式，还不能满足更高数据传输速率的要求。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供了一种基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，将基片集成波导互连结构和QPSK调制解调模块应用于微波频段的高速互连系统，采用基片集成波导作为高速互连结构，并对信号进行QPSK调制解调处理，基片集成波导互连结构具有在高频段损耗低、Q值高、易集成、低成本以及小型化的特点，QPSK调制解调模块具有频带利用率高、抗干扰性强等特点，基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统具有低误码率和高传输速率的特点。
[0008]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0009]基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，包括QPSK调制模块、基片集成波导互连结构以及QPSK解调模块，其中，所述QPSK调制模块对输入的二进制信号进行调制，所述QPSK解调模块对接收信号进行解调输出，所述基片集成波导互连结构作为系统互连传输信道，连接QPSK调制模块和QPSK解调模块。
[0010]优选地，所述QPSK调制模块包括:串并转换单元、电平转换单元、第一级低通滤波单元及上变频混频单元以及加法器单元，其中，所述串并转换单元将串行输入信号转换为两路并行信号，其两路输出端分别连接至两路电平转换单元，以将单极性二进制信号转换为双极性信号，再连接至第一级低通滤波单元，以完成成形滤波，然后连接至上变频混频单元，进行频率变换，最后连接至加法器单元，实现两路信号的合成；所述QPSK调制模块对输入的二进制信号进行调制，通过提高系统频带利用率，提高系统数据传输速率。
[0011]优选地，所述基片集成波导互连结构包括:输入激励结构、输出耦合结构、转换接头结构以及基片集成波导结构；所述输入激励结构和输出耦合结构分别通过所述转换接头结构与所述基片集成波导结构相连接。
[0012]优选地，所述基片集成波导结构包括介质基板以及内嵌于介质基板且沿介质基板边缘两侧相互平行的两排周期性金属通孔；所述介质基板上下表面涂覆铜层。
[0013]优选地，所述周期性金属通孔的直径d小于等于1/5的介质波长Xg，即d < 0.2 λ g ;相邻两孔间距S不大于两倍的金属通孔直径d，即S < 2d。
[0014]优选地，所述输入激励结构和所述输出耦合结构均采用50欧姆平面微带线。
[0015]优选地，所述转换接头结构包括:用于连接输入激励结构和基片集成波导结构的输入端转换接头以及用于连接输出耦合结构和基片集成波导结构的输出端转换接头，所述输入端转换接头和输出端转换接头均采用梯形渐变线结构。
[0016]优选地，所述QPSK解调模块包括:下变频混频单元、第二级低通滤波单元、位定时恢复单元、门限判决单元以及并串转换单元，其中，所述下变频混频单元对接收到的调制信号下变频到基带，下变频混频单元的输出端先连接至第二级低通滤波单元，以将信号的高频分量滤除后，再连接至门限判决单元，以实现码元同步，所述门限判决单元还与位定时恢复单元相连，门限判决单元的输出与并串转换单元相连；所述QPSK解调模块对经过所述基片集成波导互连传输后的调制信号进行解调输出，恢复为二进制比特序列。
[0017]为保证信号的准确解调，所述QPSK调制模块的载波经过一段50欧姆微带线，产生一定的相位偏移后，得到为所述QPSK解调模块的载波，并且该相位偏移量与二进制信号经过基片集成波导互连结构传输后产生的相位偏移量相等。
[0018]本发明将基片集成波导结构和QPSK调制解调技术应用于高速互连【技术领域】，输入的二进制信号经过QPSK调制，传输速率降为原来的1/2，调制信号经过基片集成波导互连传输，接收信号再经过解调输出，恢复为二进制比特序列，从而实现高速率的数据传输。
[0019]本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0020]1、平面型结构:将基片集成波导应用于高速互连系统中，输入激励与输出耦合机构均采用平面电路，易与其他平面型电路集成；
[0021]2、结构紧凑、小型化:采用基片集成波导，比传统的矩形波导结构体积和面积上都有了较大的缩减；
[0022]3、低损耗、低串扰:采用基片集成波导互连结构，比传统的互连在高频段的损耗要小，且多根互连线之间的串扰很低。
[0023]4、采用QPSK调制解调技术，提高了系统的频带利用率，传输速率是传统的高频载波调制系统的2倍。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明系统整体结构框图；
[0025]图2为本发明基片集成波导互连结构示意图；
[0026]图3为本发明基片集成波导结构示意图；
[0027]图4为本发明基片集成波导散射参数示意图；
[0028]图5为本发明系统输出信号的星座图；
[0029]图中:1为输入激励结构，2为输出耦合结构，3为输入端转换接头，4为铜层，5为输出端转换接头，6为周期性金属通孔，7为介质基板。
【具体实施方式】
[0030]下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
[0031]图1为本实施例的整体系统结构框图。本实施例提供了一种基于基片集成波导互连(SIW)的正交相移键控(QPSK)的高速数据传输系统，包括QPSK调制模块、基片集成波导互连结构以及QPSK解调模块，其中，QPSK调制模块对输入的二进制信号进行调制，QPSK解调模块对接收信号进行解调输出，基片集成波导互连结构作为系统互连传输信道，连接QPSK调制模块和QPSK解调模块。
[0032]QPSK调制模块包括:串并转换单元、电平转换单元、第一级低通滤波单元、上变频混频单元以及加法器单元。QPSK解调模块包括:下变频混频单元、第二级低通滤波单元、位定时恢复单元、门限判决单元以及并串转换单元。首先，输入的二进制信号an经串并转换单元和电平变换单元后，将速率Rb的序列分成速率为Rb/2的a2n与a2lri两路双极性电平信号，经过第一级低通滤波器得到I (t)与Q(t)两路信号；然后经上变频混频单元分别和两个正交的同频载波COS (2 31 fLOt)与-sin (2 n fLOt)相乘,通过加法器单元相加后即得QPSK调制信号S(t)。基片集成波导互连结构传输调制信号S(t)，输出为r(t)。然后对传输信号进行下变频混频和第二级低通滤波后，得到两路输出信号为Y1U)与\(0 ;二者再经过门限判决和并串变换，得到最终输出的二进制信号Yn。
[0033]图2为本实施例的基片集成波导互连结构，包括:相互连接的输入激励结构1、输出耦合结构2、转换接头结构(包括输入端转换接头3和输出端转换接头5)以及基片集成波导结构。基片集成波导结构包括:介质基板7以及内嵌于介质基板7中沿边缘两侧相互平行的两排周期性金属通孔6。介质基板7上下表面涂覆铜层4 ;输入激励结构I和输出耦合结构2分别通过输入端转换接头3和输出端转换接头5与基片集成波导结构相连。
[0034]输入端转换接头3和输出端转换接头5采用梯形渐变线结构，起到阻抗匹配的作用。
[0035]输入激励结构I采用50欧姆平面微带线结构；输出耦合结构2采用50欧姆平面微带线结构。
[0036]本实施例中，基片集成波导互连结构中的输入激励结构I和输出耦合结构2分别由一段50欧姆的微带线构成，用于基片集成波导与其他电路的连接，微带线经过梯形渐变线结构的输入端转换接头3和输出端转换接头，与基片集成波导结构相连。整个输入激励结构和输出耦合结构均为平面型，具有较高的设计自由度，易加工、易集成。
[0037]图3为本实施例的基片集成波导结构示意图。基片集成波导结构的介质基板7边缘两侧周期性排列的金属化通孔6，即周期性金属通孔，起到电壁的作用。周期性金属通孔6的直径d小于等于1/5的介质波长λ g，即d < 0.2 λ g ;相邻两孔间距S不大于两倍的金属通孔直径d，即S < 2d，以减小辐射损耗。
[0038]本实施例提供的基片集成波导互连结构，其中心频率选择在21GHz，带宽在14-28GHZ。介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角正切tan δ是0.0009，厚度h为Imm ;输入输出端微带线宽度W1为Imm,长度为L1为3.7mm ;梯形渐变线转换接头长度L2为
6.4mm,宽度W2为3.776mm ;基片集成波导结构长度L3为36mm,两排金属通孔之间的宽度W为7.016mm,金属化通孔的直径d为0.4mm,相邻金属通孔的间距S为0.6mm。
[0039]图4为本实施例的基片集成波导互连结构散射参数仿真与测试对比图。其中心频率为21GHz，带宽为14-28GHZ，通带内插损约为0.5dB左右，回波损耗均大于15dB。
[0040]图5为本实施例的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统的输出信号的星座图。信源输出信号为12.5Gbps的PRBS (215_1)伪随机比特序列，输出信号星座图非常清晰，误码率很低，可以得到准确的接收信号。
[0041]本实施例的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统传输20Gbps的PRBS(215-1)序列时,输入信号经过系统传输后产生了一定的延时，约为1.8ns,且此时系统误码率仍低于le-12。
[0042]本实施例提供的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，将基片集成波导结构和QPSK调制解调技术应用于微波频段的高速互连领域。所述基片集成波导互连结构具有低损耗，高Q值，低串扰，低成本和易集成的特点，使得系统具有良好的传输特性；所述QPSK调制解调技术是一种频谱利用率很高，具有较强抗干扰性的调制方式，结合基片集成波导互连的应用使得系统在传输带宽有限的前提下，通过提高SIW互连的频带利用率，大幅提高了数据传输速率，其速率是传统的高频载波调制解调系统速率的2倍。本系统在基片集成波导带宽为14GHz时，最大传输速率可达lOGbps，且系统误码率在le_12以下。
[0043]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，包括QPSK调制模块、基片集成波导互连结构以及QPSK解调模块，其中，所述QPSK调制模块对输入的二进制信号进行调制，所述QPSK解调模块对接收信号进行解调输出，所述基片集成波导互连结构作为系统互连传输信道，连接QPSK调制模块和QPSK解调模块。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，所述QPSK调制模块包括:串并转换单元、电平转换单元、第一级低通滤波单元、上变频混频单元以及加法器单元，其中，所述串并转换单元将串行输入信号转换为两路并行信号，其两路输出端分别连接至两路电平转换单元，以将单极性二进制信号转换为双极性信号，再连接至第一级低通滤波单元，以完成成形滤波，然后连接至上变频混频单元，进行频率变换，最后连接至加法器单元，实现两路信号的合成；所述QPSK调制模块对输入的二进制信号进行调制，通过提高基片集成波导互连的频带利用率，提高系统数据传输速率。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，所述基片集成波导互连结构包括:输入激励结构、输出耦合结构，转换接头结构以及基片集成波导结构，所述输入激励结构和输出耦合结构分别通过所述转换接头结构与所述基片集成波导结构相连接。
4.根据权利要求3所述的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，所述基片集成波导结构包括介质基板以及内嵌于介质基板且沿介质基板边缘两侧相互平行的两排周期性金属通孔，所述介质基板上下表面涂覆铜层。
5.根据权利要求4所述的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，所述周期性金属通孔的直径d小于等于1/5的介质波长λ g，即d < 0.2 λ g ;相邻两孔间距S不大于两倍的金属通孔直径d，即S < 2d。
6.根据权利要求3所述的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，所述输入激励结构和所述输出耦合结构均采用50欧姆平面微带线。
7.根据权利要求3或6所述的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，所述转换接头结构包括:用于连接输入激励结构和基片集成波导结构的输入端转换接头以及用于连接输出耦合结构和基片集成波导结构的输出端转换接头，所述输入端转换接头和输出端转换接头均采用梯形渐变线结构。
8.根据权利要求1所述的基于基片集成波导互连的QPSK高速数据传输系统，其特征在于，所述QPSK解调模块包括:下变频混频单元、第二级低通滤波单元、位定时恢复单元、门限判决单元以及并串转换单元，其中，所述下变频混频单元对接收到的调制信号下变频到基带，下变频混频单元的输出端先连接至第二级低通滤波单元，以将信号的高频分量滤除后，再连接至门限判决单元，以实现码元同步，所述门限判决单元还与位定时恢复单元相连，门限判决单元的输出与并串转换单元相连；所述QPSK解调模块对经过所述基片集成波导互连传输后的调制信号进行解调输出，恢复为二进制比特序列。
【文档编号】H04L27/18GK103795665SQ201310610572
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】李晓春, 沈利梅, 毛军发 申请人:上海交通大学