DMR數字端機射頻模塊實現方案研究

摘 要：本研究能夠基于DMR協議標準，提出適用于DMR數字集群的通信手持終端射頻模塊，分析了射頻模塊技術指標以及具體實現問題，能夠針對射頻模塊進行方案改進設計，包括整體結構鎖相式頻率合成器、鎖相環調頻電路、功率放大器等相關部位的設計，通過射頻模塊整體制作和調試之后，分析調試結果。

關鍵詞：DMR;數字端機;射頻模塊;實現

DMR是由歐洲電信標準協會所提出的數字標準，能夠遵循國內生產結構作為協議結構，使用TDMA的雙實系接入法，各個突發包含兩個時隙，每個時隙的間隔為30毫秒，保護時間為2.5毫秒。相比現有的集群通信標準來說，DMR產品技術先進并且成本低，具有一定的開放度，能夠實現由模擬化到數字化的標準過度，目前在市場上DMR集群通信標準具有較廣。

1 調頻模塊技術指標以及問題分析

1.1 射頻收發機性能分析

從目前發射機系統上來看，其包括以下參數：頻率誤差是由未調制載波頻率以及指配頻率之間的誤差，通常采用頻率精度來表示，是指載波頻率和指配頻率的誤差與指配頻率之間的比值，通常要求DMA射頻頻率精度低于2ppm。輸出載波功率是指基于未調制的基礎上輸入載波功率其中一個頻率周期中發射器能夠由天線輻射的平均功率大小，按照現有射頻功率本身需要和國家標準規范，要求射頻板輸出功率可達到4瓦。臨近功率是在信道劃分中發射機注意一定導致的基礎上，總輸出功率是指在處于任意相鄰信道帶寬的功率，該功率對外界射頻信號會形成干擾，在設計時需要實現有效抑制。結合目前電網的集群通信標準，要求射頻發射器能夠用于一切高于60DB的鄰道干擾信號。頻率轉換時間是指DMR集群通信系統采用TD方式實現多指接入各個突發，包括兩個時隙，即發送和接收，時隙的保護時間為2.5毫秒，主要是指在2.5毫秒內可完成頻率合成器的收發轉換等相關工作。射頻板信號控制是實現對基帶板射頻時間轉換，包括基帶控制字符的寫入時間，要求射頻頻率轉換時間低于25毫秒，為確保射頻合成器能夠完成收發頻率轉換，要求射頻轉換時間為1毫秒。頻偏是指調頻波頻率擺動幅度，其會從一定程度上影響調頻撥調頻帶寬。除此之外，針對射頻發射器，其包含發射頻帶和信道間隔等相關性能指標。針對接收機的性能包括系統增益，是指轉換增益二端口網絡轉換增益，主要是指轉換增益二端口。網絡轉換增益是送入負載功率除以信號源輸出功率的數值，經過增益后從前向后僅需要逐級增益分配數并進行數據疊加。接收靈敏度是指該接收機能夠接收微弱信號的能力，其可接受的信號越弱，表明其具有較高接收靈敏度，影響接收機靈敏度的因素包括噪聲功率，內部噪聲，信噪比以及等效帶寬。一般來說，內部噪聲越大，其F越大，輸出的信噪比小，接收靈敏度低。對于所有電子電路來說，非線性失真具備非線性，根據現有的電路理論研究假設，可線性擬合非線性交流電路，進而為計算提供便捷，同時可滿足實際設計需求，然而這種電路只能夠用于無線電波毫米波等具體應用，主要是由于非線性會從一定程度上影響系統的操作，系統非線性和各元器件非線性通常是由內部結構以及生產工藝決定的，通常非線性會形成諧波，互相調制，交叉調制。

1.2 原射頻板存在問題及分析

第一，收發頻率轉換時間較長，結合現有的研究由于對于DMR集群通信系統來說，使其保護時間間隔為2.5毫秒，是指在該階段內能夠完成頻率的收發轉換等相關任務，由同一個頻率合成器共同進行信息收發，在處于規定保護時間內能夠完成由發射頻率到頻率接收的數據轉化，但在原射頻板測試過程中頻率合成器頻率鎖定時間長，鎖定時間為3毫秒，其遠超于時隙保護時間，因而無法實現雙工通信。頻率合成器鎖定時間長，主要是由于頻率合成器的芯片整體性能較差，無法滿足高速鎖定時間，因此無法在2.5毫秒保護時間內完成頻率鎖定。第二，網絡濾波器具有較窄的帶寬。環路濾波器在鎖相式頻率合成器中發揮重要作用，其帶寬能夠影響頻率設定時間，如果其具備較寬網絡帶寬則會縮短設定時間，但需要滿足條件，主要是由于當存在較寬的網絡帶寬時會存在失鎖問題，因此在環路濾波器設計時應當遵循一定原則，選擇寬度太寬。第三，功放電路無法正常運行，對于射頻發射機來說已調信號功率較小，要想利用天線將一條信號輻射出去，需要由功率放大器放大信號才可滿足通信需求。在電路設計電路設計過程中，功率放大器的設計也是整個系統設計的難點，需要信號放大到指定功率之后，提高增益使其具備良好線性，否則會存在一定程度的信息失真問題，要求具備良好匹配。對于射頻發射機的功放電路，其無法采用一級放大信號放到指定功率，一般會接受二級或者三級放大信號處理，進而在這一過程中級間匹配是十分重要的。在原有功放電路中，一條信號功率可達到15dbm，經過功放電路后，其信號為6dbm，但對于該芯片通過插電之后，信號功率會出現顯著增加，芯片內部的溫度會在短時間內快速升高，甚至還會存在部分元器件融化的問題，表明該功率放大器未能夠實現有效級間匹配，導致信號能量無法準確傳送到外部，而在內部電路中消耗，使芯片溫度持續升高。

2 射頻模塊改進方案設計

2.1 整體結構設計

通過比較分析，在本研究中射頻模塊拍攝機可采用兩點注入式鎖相環調頻方案，發射機是由環路濾波器、頻率合成器、壓控振蕩器、一級以及二級功率放大器，天線，電子開關等模塊構成，同時鎖相環調頻器是由壓控振蕩器、頻率合成器以及環路濾波器構成，可通過兩點注入式網絡可將基帶信號MOD加到頻率合成器的參考矩陣和壓控振蕩器的變容二極管中，以實現兩點注入式調頻，由壓控振蕩器形成的調頻信號可通過RF驅動放大之后，由兩級功率放大器將其提高至4瓦，并由天線進行發射。

2.2 鎖相式頻率合成器設計

在本射頻模塊中鎖相環頻率合成器也是其重要構成，在發射機中產生射頻信號接收器提供本振信號中發揮重要作用。鎖相式頻率合成器是由三個部分構成，包括鑒相器、壓控振蕩器以及環路濾波器。比如對于鑒相器來說，可采用MBE5F63ul，其主要是由200兆赫茲高速前置分頻器鎖相環和600兆赫茲整數分頻鎖相環構成，在數字通信系統中可使用分數頻率合成器，其具備分數分頻功能能夠滿足高速鎖定以及低相位噪聲設計，利用串行總線數據選擇電流值的定電流電荷泵電路。

2.3 鎖相環調頻電路的設計

對于調頻技術，調頻信號可通過直接調頻法以及間接調頻法的方式產生，由于相比直接法來說間接法成本、復雜度較高，因此本研究可采用直接調頻法，能夠利用調頻信號進行振蕩器頻率的控制，按照規律實現頻率線性變化，針對壓控振蕩器其與FM產生器功能一致，主要由于振動頻率與輸入控制電壓成正比例關系，雙點注入式鎖相調頻主要是指在鎖相環參考頻率端以及VCO出入端加入預調制基帶信號，進而可實現基帶信號頻率的一致性覆蓋，進而降低低頻調制的影響，該方法目前在數字調制以及現代模擬中具有較廣的應用。從雙點注入式寬帶FM鎖相調頻電路上來看，采用4FSK調制法基帶其可用于DMR集群通信系統中，通過數字以實現4電平映射，映射的位置可完成調頻。為確保調制器具有良好的通過性能，一般采用兩點注入式帶寬調制結構，能夠利用G1和G2線性網絡以完成其他信號的傳送。

3 射頻模塊整體制作及調試

本研究對于PCB布局時可按照工作模塊進行分區布局，RF板設計采用4層結構，頂層則為RF信號線，完整地為第2層，電源是第3層，底層走數字信號線以及電源線。在設計PCB板時，電源地線處理難度高，由于D線電源不會引發周邊信號干擾以降低射頻板的性能，因此需要做好電源和地線的路線工作，盡可能降低干擾，確保射頻板性能。消除低線和電源線的噪音方法包括：在電源、地線之間可通過加寬電源，具有電容增加的方式，利用大面積銅線代替地線，在印制板中將空余位置與地線進行連接作為地線來使用，或者將電源和多層板地線各占一層。在具體電路調試過程中，可借助常用測量設備，本研究可采用射頻分析儀、信號發生器、萬用表、示波器等設備進行系統的硬件調試。

4 測試板測試結果及分析

對接機構版和社評版，可通過DATA端口將控制字符寫入基帶板的MCU中，實現發射器頻點的有效控制，借助MOD端口進行基帶語音信號的輸入，可以將由VCO構成的設備型號準確輸入到對應的頻譜分析儀中以實現數據測試。VCO信號測試包括壓控靈敏度，頻率可變范圍，RF輸出功率。通過研究發現，發射VCO起始頻率為395兆赫茲，改變VCO電壓之后其頻率可變范圍為395～449兆赫茲，該VCO壓控靈敏度為11.94兆赫茲。從輸出頻率來看，由于測試板采用一級放大電路結構，在處于7.5伏運行電壓下，最大輸出功率為5瓦，基本能夠滿足系統要求的發射功率。針對鎖相環性能測試指標，其具有較高精度，可通過射頻信號，雜播抑制鎖定時間，相位噪聲等多個指標測試，可以發現，RF信號的精度較高，并且具有較強的穩定性，其誤差低于規定的2ppm，其是符合現代數字化通信需求的，并且鎖定頻率跨度較大，鎖定時間長，但鎖定時間是滿足系統頻率轉換時間，因此可滿足雙工通信需求。

總而言之，本研究針對DMR集群通信系統進行開發設計，對射頻模塊從整體方案設計到繪制原理圖，PCB板制板和不同功能模塊測試、射頻板測試結果分析，通過研究發現，本次設計的DMR數字端機射頻模塊具有良好的適應性，其性能是符合預期設計要求的。

參考文獻：

[1]劉越越.DMR發射機射頻前端的研究與設計[D].2018.

[2]魏濤.GNSS雙模近零中頻接收機射頻前端的研究實現[D].2018.

作者簡介：張培宗（1986— ），男，漢族，福建惠安人，本科，工程師，研究方向：軍工通信設備。