寬帶無線通信射頻收發(fā)前端設(shè)計(jì)

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(qiáng),已成為全球通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

　　寬帶無線通信系統(tǒng)(BWCS)主要由RF前端、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)、通信協(xié)議及相關(guān)算法部分組成,其中RF前端是關(guān)鍵部分。本文設(shè)計(jì)了一種TDD模式無線寬帶射頻子系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)收發(fā)通道RF前端的所有功能,能夠滿足SC2FDE調(diào)制信號(hào)的收發(fā)要求,可應(yīng)用于應(yīng)急通信、指揮調(diào)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)同頻雙工寬帶傳輸,且該系統(tǒng)中內(nèi)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(jié)構(gòu)框圖。
 

圖1　RF前端結(jié)構(gòu)框圖

　　1　RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　1. 1　設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　BWCS工作頻段: 325 MHz～355 MHz,信道帶寬為8 MHz,根據(jù)BWCS通信要求規(guī)劃RF收發(fā)信道的性能指標(biāo),表1為RF收發(fā)信道設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1　RF收發(fā)信道指標(biāo)

　　1. 2接收機(jī)RF設(shè)計(jì)要求

　　接收機(jī)要求在引入失真最小的情況下,將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為有用信息。噪聲和干擾是影響接收機(jī)性能的無用信號(hào),接收機(jī)輸出有用信號(hào)要大于無用信號(hào)一定的功率,即滿足最小信噪比要求。

　　靈敏度是保證接收機(jī)輸出達(dá)到最小信噪比的最小輸入功率值,噪聲系數(shù)是整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲值,噪聲系數(shù)和靈敏度之間的關(guān)系為:

　　其中NF為噪聲系數(shù), Pmin為靈敏度, SNRmin為最小信噪比。

　　動(dòng)態(tài)范圍是接收機(jī)接收信號(hào)功率的最大值與最小值的差值,用公式表示為:

　　DR為動(dòng)態(tài)范圍, Pmax為最大可接收信號(hào)功率值, Pmin為最小可接收信號(hào)功率值。

　　1. 3　發(fā)射機(jī)RF設(shè)計(jì)要求

　　發(fā)射機(jī)是將基帶信號(hào)變頻到射頻信號(hào),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(jī)兩個(gè)重要的指標(biāo)。

　　發(fā)射功率的設(shè)定和系統(tǒng)的通信距離、調(diào)制方式、最小信噪比、工作環(huán)境等有關(guān),功率太小達(dá)不到最低信噪比的要求,功率太大將對鄰道產(chǎn)生干擾。

　　發(fā)射機(jī)的非線性特性將產(chǎn)生很多諧波成分,鄰道抑制是對諧波要求的指標(biāo),要求諧波功率小于有用信道功率一定值。

　　2　設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方案

　　本文采用超外差模式實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)RF前端,接收與發(fā)射采用TDD模式切換,通過兩次變頻達(dá)到所需頻段,收發(fā)射頻信號(hào)頻段為325MHz～355MHz,信道帶寬8MHz,中頻為10MHz。2. 1　PLL設(shè)計(jì)

　　射頻本振采用AD I公司的ADF4360系列產(chǎn)品,該產(chǎn)品片內(nèi)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(shí)現(xiàn)二次混頻本振信號(hào)。

圖2　ADF4360鎖相環(huán)電路圖。

　　2. 2　收發(fā)信道設(shè)計(jì)

　　接收信道設(shè)計(jì)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(jí)聯(lián)計(jì)算公式為:

　　其中F為總噪聲系數(shù); F1 ……Fn 為各級(jí)噪聲系數(shù); G1……Gn - 1為各級(jí)額定功率增益。

　　根據(jù)噪聲級(jí)聯(lián)公式可知,信道噪聲主要決定于系統(tǒng)前端,為了使接收機(jī)的總噪聲系數(shù)小,要求前級(jí)的噪聲系數(shù)小、增益高。表2為接收信道各級(jí)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(dá)到高線性度,采用數(shù)控衰減器調(diào)整增益范圍,在實(shí)際應(yīng)用中,為達(dá)到遠(yuǎn)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(jí)器件表。

表3　發(fā)射信道選用器件表

　　3　測試結(jié)果

　　圖3為整個(gè)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(shí)鐘信號(hào),輸入頻率控制字,鎖定本振頻率為411 MHz,測得此時(shí)相位噪聲優(yōu)于- 100 dBc /Hz@400 kHz,滿足系統(tǒng)本振設(shè)計(jì)要求。3. 2　接收信道測試

　　接收機(jī)輸入頻率為341 MHz, 帶寬8 MHz的SC2FDE信號(hào)。表4為接收信道測試結(jié)果。

表4　接收信道測試結(jié)果

　　從表4可以看出:接收機(jī)的靈敏度Pmin為- 94dBm,接收增益Gain 為73 dB, AGC的增益為102dB,測試結(jié)果表明接收機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求;只有靈敏度比設(shè)計(jì)要求指標(biāo)差1 dB。經(jīng)分析和調(diào)試,將接收信道屏蔽罩進(jìn)行合理設(shè)計(jì),靈敏度得到改善,滿足了設(shè)計(jì)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(hào)。表5為發(fā)射信道測試結(jié)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(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求; ACPR比設(shè)計(jì)要求稍差些。經(jīng)分析,可以將第一次混頻的本振信號(hào)功率增大些,這樣可以降低混頻交調(diào)功率,提高系統(tǒng)ACPR。

表5　發(fā)射信道測試結(jié)果

　　4　結(jié)論

　　本文成功研制出一種應(yīng)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(gè)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),選擇了滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的低成本元件。減低了系統(tǒng)成本,提高了性價(jià)比。研制的電路已經(jīng)在系統(tǒng)中得到實(shí)際的應(yīng)用。