近年來,寬帶無線通信由于其平均功率低、頻譜利用率高、保密性好及多徑分辨能力強,已成為全球通信領域研究的熱點技術。
寬帶無線通信系統(tǒng)(BWCS)主要由RF前端、數據調制解調、通信協(xié)議及相關算法部分組成,其中RF前端是關鍵部分。本文設計了一種TDD模式無線寬帶射頻子系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現收發(fā)通道RF前端的所有功能,能夠滿足SC2FDE調制信號的收發(fā)要求,可應用于應急通信、指揮調度、無線監(jiān)控、野外作業(yè)、海上作業(yè)等多媒體傳輸方案中,可實現點對點同頻雙工寬帶傳輸,且該系統(tǒng)中內置GPS模塊,通過定位算法向中心站上傳位置信息,圖1為RF前端結構框圖。
圖1 RF前端結構框圖
1 RF系統(tǒng)設計要求
1. 1 設計指標
BWCS工作頻段: 325 MHz～355 MHz,信道帶寬為8 MHz,根據BWCS通信要求規(guī)劃RF收發(fā)信道的性能指標,表1為RF收發(fā)信道設計指標要求。
表1 RF收發(fā)信道指標
1. 2接收機RF設計要求
接收機要求在引入失真最小的情況下,將接收到的信號轉化為有用信息。噪聲和干擾是影響接收機性能的無用信號,接收機輸出有用信號要大于無用信號一定的功率,即滿足最小信噪比要求。
靈敏度是保證接收機輸出達到最小信噪比的最小輸入功率值,噪聲系數是整個接收機系統(tǒng)的噪聲值,噪聲系數和靈敏度之間的關系為:
其中NF為噪聲系數, Pmin為靈敏度, SNRmin為最小信噪比。
動態(tài)范圍是接收機接收信號功率的最大值與最小值的差值,用公式表示為:
DR為動態(tài)范圍, Pmax為最大可接收信號功率值, Pmin為最小可接收信號功率值。
1. 3 發(fā)射機RF設計要求
發(fā)射機是將基帶信號變頻到射頻信號,并放大到足夠的功率發(fā)射,發(fā)射功率和鄰道抑制是發(fā)射機兩個重要的指標。
發(fā)射功率的設定和系統(tǒng)的通信距離、調制方式、最小信噪比、工作環(huán)境等有關,功率太小達不到最低信噪比的要求,功率太大將對鄰道產生干擾。
發(fā)射機的非線性特性將產生很多諧波成分,鄰道抑制是對諧波要求的指標,要求諧波功率小于有用信道功率一定值。
2 設計思路及實現方案
本文采用超外差模式實現收發(fā)機RF前端,接收與發(fā)射采用TDD模式切換,通過兩次變頻達到所需頻段,收發(fā)射頻信號頻段為325MHz～355MHz,信道帶寬8MHz,中頻為10MHz。[!--empirenews.page--]2. 1 PLL設計
射頻本振采用AD I公司的ADF4360系列產品,該產品片內集成VCO,且具有較低的相位噪聲,圖2為ADF4360鎖相環(huán)電路圖,電路中采用高穩(wěn)定性的晶振,可以利用晶振諧波實現二次混頻本振信號。
圖2 ADF4360鎖相環(huán)電路圖。
2. 2 收發(fā)信道設計
接收信道設計需要保證噪聲、增益、靈敏度、臨道抑制滿足系統(tǒng)要求。接收信道噪聲級聯計算公式為:
其中F為總噪聲系數; F1 ……Fn 為各級噪聲系數; G1……Gn - 1為各級額定功率增益。
根據噪聲級聯公式可知,信道噪聲主要決定于系統(tǒng)前端,為了使接收機的總噪聲系數小,要求前級的噪聲系數小、增益高。表2為接收信道各級器件表。
表2 接收信道選用器件表
發(fā)射信道采用高線性的混頻器和放大器達到高線性度,采用數控衰減器調整增益范圍,在實際應用中,為達到遠距離發(fā)射,可以外接大功率放大器。表3為發(fā)射信道各級器件表。
表3 發(fā)射信道選用器件表
3 測試結果
圖3為整個射頻子系統(tǒng)PCB 版圖,面積為110mm ×70 mm。
圖3 射頻子系統(tǒng)PCB版圖
3. 1 鎖相環(huán)測試
通過給鎖相環(huán)ADF4360提供40MHz的時鐘信號,輸入頻率控制字,鎖定本振頻率為411 MHz,測得此時相位噪聲優(yōu)于- 100 dBc /Hz@400 kHz,滿足系統(tǒng)本振設計要求。[!--empirenews.page--]3. 2 接收信道測試
接收機輸入頻率為341 MHz, 帶寬8 MHz的SC2FDE信號。表4為接收信道測試結果。
表4 接收信道測試結果
從表4可以看出:接收機的靈敏度Pmin為- 94dBm,接收增益Gain 為73 dB, AGC的增益為102dB,測試結果表明接收機各項指標達到系統(tǒng)設計要求;只有靈敏度比設計要求指標差1 dB。經分析和調試,將接收信道屏蔽罩進行合理設計,靈敏度得到改善,滿足了設計要求。
3. 3 發(fā)射信道測試
發(fā)射中頻輸入為頻率10 MHz,帶寬8 MHz的SC2FDE信號。表5為發(fā)射信道測試結果。
從表5可以看出:發(fā)射增益Gain為26 dB,ALC增益為31 dB,均達到系統(tǒng)設計指標要求; ACPR比設計要求稍差些。經分析,可以將第一次混頻的本振信號功率增大些,這樣可以降低混頻交調功率,提高系統(tǒng)ACPR。
表5 發(fā)射信道測試結果
4 結論
本文成功研制出一種應用于TDD模式的無線寬帶通信射頻子系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)中個電路的優(yōu)化設計,選擇了滿足系統(tǒng)性能指標的低成本元件。減低了系統(tǒng)成本,提高了性價比。研制的電路已經在系統(tǒng)中得到實際的應用。
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