鏈路復(fù)用的跳頻收發(fā)機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)

黃 磊，余 平，鮑景富，袁 田

（電子科技大學(xué)a.電子工程學(xué)院；b.抗干擾國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731）

0 引文

跳頻通信電臺(tái)在軍事領(lǐng)域通信系統(tǒng)中占不可或缺的地位，受到越來越多的關(guān)注而成為研究熱點(diǎn)[1]。在跳頻電臺(tái)中，收發(fā)信機(jī)射頻前端是關(guān)鍵部件，它的優(yōu)劣直接影響到整體系統(tǒng)的通信質(zhì)量[2]。

便攜式跳頻電臺(tái)作為一種移動(dòng)通信設(shè)備[3]，主要實(shí)現(xiàn)部隊(duì)和指揮系統(tǒng)之間快速交換信息，從而大幅度提高作戰(zhàn)部隊(duì)的反應(yīng)能力[4]。由于跳頻電臺(tái)主要是為了提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力[5]，因此收發(fā)信機(jī)射頻前端處理有用信號(hào)和抑制干擾信號(hào)的能力是關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)具有體積小、功耗小、重量輕等特點(diǎn)。

如果射頻前端采用收發(fā)鏈路分開的模式，為了節(jié)省能耗，那么在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，需要關(guān)閉接收鏈路；在接收狀態(tài)時(shí)，需要關(guān)閉發(fā)射鏈路[6]。然而，采用電源開關(guān)來關(guān)斷不工作鏈路的供電，該方式存在以下兩個(gè)問題：①電源開關(guān)并不能完全關(guān)斷鏈路供電，只是使輸出電壓處于低電平模式，仍存在一定的能耗；②電源開關(guān)還需要一個(gè)控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。為此，設(shè)計(jì)了一種工作于時(shí)分雙工模式（TDD）下的收發(fā)鏈路復(fù)用的跳頻收發(fā)信機(jī)射頻前端，將收發(fā)鏈路合并為一條鏈路，不僅降低了功耗，而且減小了收發(fā)信機(jī)射頻前端體積。

1 射頻鏈路的設(shè)計(jì)

無線收發(fā)信機(jī)射頻前端分為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)兩部分。發(fā)射機(jī)的射頻前端的主要功能是上變頻，功率放大和濾波[7]。變頻采用一次或者多次變頻，可根據(jù)鏈路對(duì)指標(biāo)的要求而定[8]。由于設(shè)計(jì)中輸入70 MHz中頻信號(hào)和輸出為110～512 MHz的射頻信號(hào)相隔較近，如果采用一次上變頻的話，那么輸出端的雜散、本振泄露、鏡像信號(hào)、諧波等干擾信號(hào)可能處于通頻帶內(nèi)，無法濾除。如果采用三次或者多次變頻，那么鏈路成本較高，體積較大，功耗較高。綜合以上因素，該射頻前端采用二次變頻技術(shù)。接收機(jī)的作用主要是有選擇的放大空中的微弱電磁信號(hào)，并恢復(fù)有用信號(hào)。目前，接收機(jī)主要有零中頻，超外差和數(shù)字下變頻三種結(jié)構(gòu)。超外差接收機(jī)是將接收到的射頻信號(hào)和本振信號(hào)進(jìn)行混頻，通過性能較好的濾波器取出有用信號(hào)。可根據(jù)指標(biāo)要求，而選擇相應(yīng)的混頻次數(shù)。超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因此可作為設(shè)計(jì)中選定方案。便攜式跳頻電臺(tái)的接收和發(fā)射處于不同的時(shí)間。為了節(jié)約電臺(tái)的能耗，將接收和發(fā)射鏈路采用同一鏈路，進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 收發(fā)信機(jī)原理框

當(dāng)鏈路處于發(fā)射時(shí)，DAC輸入70 MHz中頻信號(hào)，與第一級(jí)本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到高頻率信號(hào)。然后選用相應(yīng)的中頻濾波器濾除干擾信號(hào)，再使用中頻放大器放大信號(hào)功率。進(jìn)而將處理后的信號(hào)，與第二級(jí)本振信號(hào)進(jìn)行混頻得到110～512 MHz信號(hào)，然后進(jìn)行放大和濾波等，最后由In_out端將信號(hào)發(fā)射出去。

當(dāng)鏈路處于接收時(shí)，In_out端接收到 110～512 MHz信號(hào)，經(jīng)過功率放大，再與第一級(jí)本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到和發(fā)射中間頻率相同的信號(hào)。該信號(hào)在經(jīng)過和發(fā)射相同的處理后，再與第二級(jí)本振信號(hào)混頻，得到70 MHz中頻信號(hào)。然后經(jīng)過放大和濾波后，將該信號(hào)通過IFout端輸入到基帶。

由于跳頻電臺(tái)對(duì)收發(fā)信機(jī)的抗干擾性能要求較高，因此收發(fā)鏈路要滿足帶內(nèi)波動(dòng)小、本振泄露小、鏡像抑制高和雜散低。帶內(nèi)波動(dòng)和其余幾個(gè)指標(biāo)是矛盾的，因?yàn)樵谧杩蛊ヅ潆娐分校瑤?nèi)波動(dòng)是級(jí)聯(lián)惡化的。也就是說，鏈路中芯片級(jí)數(shù)越多，帶內(nèi)波動(dòng)越差。其余的指標(biāo)則是需要在鏈路中加入濾波器進(jìn)行抑制的。如果這些指標(biāo)要抑制到很低，那么一般需要兩級(jí)甚至多級(jí)濾波器。綜合各個(gè)指標(biāo)考慮，選擇將中間級(jí)頻率選為較高的頻點(diǎn)，使得遠(yuǎn)離收發(fā)信機(jī)的工作頻段。這樣，干擾信號(hào)影響較小。

混頻器是產(chǎn)生雜散、本振泄露和鏡像干擾信號(hào)的器件。其實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的理論模型可描述為：

其中 ALOcosωLOt為本振信號(hào)，ALO為本振信號(hào)的振幅，ωLO為本振信號(hào)的頻率；AIFcosωIFt為輸入中頻信號(hào)，AIF為中頻信號(hào)的振幅，ωIF為中頻信號(hào)的頻率。由公式可以看出，如果選定ωLO-ωIF為輸出射頻信號(hào)，那么 ωLO+ωIF則是鏡像信號(hào)，且兩者信號(hào)幅度均是。此外，還有本振信號(hào)和中頻信號(hào)泄露到射頻信號(hào)輸出端，兩泄露信號(hào)幅度根據(jù)混頻器輸入輸出管腳的隔離度而定。然而，本振信號(hào)和中頻信號(hào)都有多次諧波，這些分量可以組合出很多雜散信號(hào)。這些信號(hào)都需要中頻濾波器來濾除。

由于設(shè)計(jì)要求處理帶寬達(dá)到60 MHz，因此中頻濾波器的3 dB帶寬需要大于等于60 MHz。由于發(fā)射時(shí)，第一級(jí)本振信號(hào)和混頻后的信號(hào)相差70 MHz，因此該濾波器的矩形系數(shù)要好。也就是說選用的濾波器在60 MHz帶寬內(nèi)的波動(dòng)要小，帶外抑制要高。設(shè)計(jì)中可根據(jù)要求，采用多級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)。

一般情況下，收發(fā)信機(jī)需要考慮收發(fā)隔離度。當(dāng)鏈路工作在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，發(fā)射信號(hào)通過末級(jí)開關(guān)耦合到接收輸出端。當(dāng)鏈路工作在接收狀態(tài)時(shí)，接收信號(hào)通過兩級(jí)開關(guān)耦合到輸入端（發(fā)射輸出端）。因此設(shè)計(jì)中開關(guān)的隔離度很重要。

2 跳頻的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中選用的本振是 HITTITE公司的集成VCO小數(shù)分頻鎖相環(huán)HMC830。其VCO產(chǎn)生的頻率為1.5～3 GHz，然后經(jīng)過2到62位分頻器將輸出頻率擴(kuò)展到25 MHz～3 GHz。HMC830的相噪也很好。在訊泰（HITTITE）公司給出的HMC830相噪圖中，輸出頻率為2.5 GHz，環(huán)路帶寬取74 kHz時(shí)，相噪最差，大概是-104dBc/Hz@10kHz。

圖2 HMC830時(shí)域仿真

利用 Matlab中嵌入的 HITTITE公司提供的HMC830仿真軟件，設(shè)置起始頻率為760 MHz，頻率跳變后的頻率為1 GHz，環(huán)路帶寬為90 kHz，相位裕度為 45°。經(jīng)過時(shí)域仿真得到，可知 HMC830的鎖定時(shí)間小于50 us，完全能實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的快速跳頻要求。時(shí)域仿真結(jié)果如圖2所示。

HMC830一般通過SCK，SDI和SEN以總線的形式輸入外部控制信號(hào)。其中SCK為時(shí)鐘信號(hào)，為上升沿觸發(fā)。當(dāng)SCK處于上升沿，SEN為寫使能，SDI為高電平時(shí)，該本振開始寫入外部控制信號(hào)。SDI先寫入8位地址，再寫入24位數(shù)據(jù)。LD_SDO為多功能管腳，一般定義為鎖定檢測(cè)輸出。當(dāng)LD_SDO輸出高電平，則表示該本振已經(jīng)鎖定。

3 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論分析

設(shè)計(jì)最后還對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試：信號(hào)源輸入相應(yīng)頻率和功率的信號(hào)，頻譜儀接收射頻板輸出信號(hào)。圖3測(cè)試的是最高頻點(diǎn)512 MHz偏離10 kHz處的相噪。從圖中看出，相噪為-98.4dBc/Hz@ 10kHz。

圖3 512 MHz處偏離10 kHz的相噪

發(fā)射輸出帶內(nèi)波動(dòng)為2.99 dB，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。影響該指標(biāo)的器件主要是工作帶寬窄的器件。整個(gè)鏈路中，只有中頻濾波器和末級(jí)濾波器是窄帶器件。影響該指標(biāo)的主要看兩種濾波器的性能。發(fā)射的雜散、諧波、本振泄露和鏡像抑制等指標(biāo)都優(yōu)于-50 dBc。接收的雜散、本振泄露和鏡像抑制等指標(biāo)都優(yōu)于-50 dBc。測(cè)試結(jié)果如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖4 發(fā)射帶內(nèi)波動(dòng)

圖5 發(fā)射和接收鏈路頻譜

4 結(jié)語

根據(jù)便攜式跳頻電臺(tái)的要求，設(shè)計(jì)了一種鏈路復(fù)用的跳頻收發(fā)信機(jī)射頻前端，將收發(fā)鏈路合并為一條鏈路，能有效處理有用信號(hào)和抑制干擾信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)跳頻電臺(tái)抗敵方干擾信號(hào)的性能，選用了高性能本振實(shí)現(xiàn)其高速跳頻功能。從對(duì)各個(gè)指標(biāo)的測(cè)試與分析結(jié)果看出，整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到了便攜式跳頻電臺(tái)系統(tǒng)的要求。由于選用同一條鏈路實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)，其隔離度還需進(jìn)一步改善。從整個(gè)鏈路看，可考慮在IFout和發(fā)射濾波段加一級(jí)開關(guān)，將開關(guān)輸出端接地。當(dāng)發(fā)射時(shí)，將IFout端接地；當(dāng)接收時(shí)，將發(fā)射濾波段接地，可以增大鏈路的隔離度。

[1] 鄧瀛琪.跳頻電臺(tái)關(guān)鍵模塊研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2006.

[2] 王楓.UHF頻段無線收發(fā)信機(jī)前端設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(01): 91-95.

[3] 李永軍.適用于教學(xué)的跳頻通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2011,44(04): 62-64.

[4] 趙巖.基于 Simulink的跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能分析[J].通信技術(shù),2010,43(11):15-18.

[5] 胡文江.擴(kuò)頻技術(shù)及應(yīng)用[J].信息安全與通信保密,2006(08):168-170.

[6] 郗丹.雙模手機(jī)射頻前端技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

[7] 苑春雷.C波段收發(fā)信機(jī)的研制[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

[8] 趙春轅.小型無線收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2007.