S/L波段收發(fā)系統(tǒng)射頻前端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要:本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用了北斗一代衛(wèi)星收發(fā)機(jī)的射頻前端，它主要完成三方面功能:一是接收單元對天線和低噪聲放大器的衛(wèi)星信號進(jìn)行放大、濾波和下變頻處理，以產(chǎn)生滿足后續(xù)AD轉(zhuǎn)化單元輸入要求的中頻信號;二是時鐘單元提供一個穩(wěn)定的時鐘信號，以供后續(xù)信息處理單元使用;三是發(fā)射單元完成基帶信號對載波的調(diào)制，將其變?yōu)橥◣盘枴?/p>

關(guān)鍵詞:射頻前端，接收單元，時鐘單元，發(fā)射單元

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航近年來得到飛速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于軍事和國民經(jīng)濟(jì)及社會生活各個方面。現(xiàn)在存在GPS、伽利略、GLONASS、北斗四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)成為一個巨大的產(chǎn)業(yè)。低噪聲放大器和下變頻混頻器是射頻接收機(jī)中位于最前端的模塊，在整個系統(tǒng)中混頻器承擔(dān)著頻率轉(zhuǎn)換的重任，其線性度、轉(zhuǎn)換增益、噪聲、本振抑制等都是其重要的指標(biāo)，所以其性能的優(yōu)劣直接影響到接收機(jī)的整體性能。

2 收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

2.1 發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

發(fā)射機(jī)完成的主要功能是調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波。發(fā)射機(jī)的方案比較簡單，大致可以分為兩種:一是將調(diào)制和上變頻合二為一，在一個電路里完成，

這稱為直接變換法【1】。第二種先在較低的中頻上進(jìn)行調(diào)制，然后將已調(diào)信號上變頻搬移到發(fā)射的載頻上，這稱為兩步法【1】。這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以在文獻(xiàn)【1】中描述，這里不在進(jìn)行重復(fù)敘述。

2.2 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)在采用的接收機(jī)結(jié)構(gòu)主要有四大種類，分別是超外差式接收機(jī)、鏡像抑制接收機(jī)、零中頻接收機(jī)和數(shù)字中頻接收機(jī)。這四種結(jié)構(gòu)各有利弊，在文獻(xiàn)【2】、【3】、【4】和【5】中都有比較說明。

3 收發(fā)機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)方案的確定

3.1 射頻前端的主要性能指標(biāo)

·輸出中頻信號:12.24 MHz±4.08MHz/5dBm±1.5dB(50歐姆阻抗);

·接收單元變頻增益:≥75dB

·輸出時鐘信號:

97.92MHz/12dBm±1dB(50歐姆阻抗);

·輸出發(fā)射信號幅度:7dBm±1.5dB(50歐姆阻抗);

·BPSK調(diào)制本振抑制度/相位誤差:≥30dB/≤3°。

3.2 發(fā)射單元電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中發(fā)射單元采用直接變換法，但為了改善經(jīng)功率放大或發(fā)射后的強(qiáng)信號會泄漏或發(fā)射回來影響本振，牽引本振頻率，一是將功率放大器的及其開關(guān)遠(yuǎn)離本振單元;二是選擇反向隔離度較高的放大器。本設(shè)計(jì)方案中發(fā)射單元的工作流程為:由頻率合成器產(chǎn)生的載波信號，經(jīng)兩級放大后，將調(diào)制信號調(diào)制到載波頻率上，經(jīng)過濾波和放大后，送給后續(xù)功放單元，由功放單元通過發(fā)射天線振子發(fā)送出去。

發(fā)射單元選用的主要芯片有:頻率合成器選擇Silicon公司的Si4133，它可以提供2路穩(wěn)定的本振信號，其相位噪聲可低至-132dBc/Hz。調(diào)制器選擇RFMD公司的RF2422，實(shí)現(xiàn)BPSK調(diào)制功能，參數(shù)為:調(diào)制相位誤差不超過3°，載波抑制不小于30dB。電平轉(zhuǎn)換器選擇TI公司的SN74LVC1G14，把3.3V的TDM信號轉(zhuǎn)換為5V的電平信號供給調(diào)制器。

3.3 接收單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案的接收單元主要完成對北斗一代的下行信號濾波、放大、下變頻及解調(diào)處理，產(chǎn)生符合要求的中頻處理信號。接收單元的功能框圖如圖2所示。

圖2 接收單元功能框圖

接收單元選擇的主要芯片有:第一級射頻放大器選擇SIRENZA公司的SGA-1163，其工作頻段為DC～6000MHz。第一級混頻器:選擇HP公司的IAM-81008，其具有8.5dB的轉(zhuǎn)換增益，17dB的噪聲系數(shù)，1dB壓縮點(diǎn)為-6dBm。第二級高中頻放大器同樣選擇SIRENZA公司的SGA-1163。頻率合成器:選擇Silicon公司的Si4133，它可以提供2路穩(wěn)定的本振信號，其相位噪聲可低至-132dBc/Hz。第二級混頻器選擇AD公司的AD8347，它具有混頻、解調(diào)和中頻放大三項(xiàng)功能。中頻濾波器為五階LC濾波電路。

4 調(diào)試中遇到的問題及解決情況

4.1 本振信號的產(chǎn)生

本設(shè)計(jì)方案采用兩次變頻的超外差接收方式，超外差式接收機(jī)的最大缺點(diǎn)是組合干擾頻率點(diǎn)多，中頻信號的選取尤為重要。一般組合干擾設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求混頻產(chǎn)物的組合級數(shù)大于5級時，將不會對接收靈敏度造成影響。組合干擾的計(jì)算公式為:

中頻±帶寬=(頻點(diǎn)±帶寬)×m±一本振頻率×m±二本振頻率×k

在本方案中我們選用的Si4133是一款集成VCO、環(huán)路濾波器等電路的頻率合成器，它可以提供優(yōu)于-132dBc/Hz的相位噪聲。輸出信號的頻率，其中為基準(zhǔn)源N、R的值由單片機(jī)設(shè)定，N和R值的選擇與本振信號的相位噪聲和相位檢測時間有關(guān)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊及對本振信號的要求合理選擇N和R值。根據(jù)本振頻率的不同，其諧振所需的電感量不同，設(shè)計(jì)中采用集總參數(shù)的電感及印制線電感結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而解決了本振信號自激，干擾嚴(yán)重的問題。

4.2 接收靈敏度低

中頻濾波電路的指標(biāo)會影響組件的接收靈敏度。通過對中頻濾波電路仿真，最終采用5階FIR濾波電路，實(shí)際調(diào)試中選用高Q值的磁環(huán)做繞線電感，經(jīng)過多次仿真和實(shí)際調(diào)試，解決了中頻濾波電路分立元件參數(shù)雜散導(dǎo)致的中頻濾波電路的指標(biāo)下降，無法批量生產(chǎn)的問題。

5 結(jié)束語

本文給出了北斗一代收發(fā)機(jī)RF前端的設(shè)計(jì)方案，實(shí)際電路的測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，并已與數(shù)字基帶電路聯(lián)試，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際衛(wèi)星信號的信息處理，此射頻前端現(xiàn)已批量生產(chǎn)，用戶反應(yīng)性能較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳邦媛. 射頻通信電路[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2002年.

[2]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社，2003

[3]袁建平，羅建軍等.衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].中國宇航出版社.2003

作者簡介:

原艷寧(1982-)，女，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事射頻/微波電路的設(shè)計(jì)開發(fā)