寬頻段電臺(tái)機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)分析及設(shè)計(jì)考慮?

徐 彤

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

寬頻段電臺(tái)機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)分析及設(shè)計(jì)考慮?

徐 彤??

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

探討了寬頻段電臺(tái)機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)的來源、產(chǎn)生機(jī)理及途徑。應(yīng)用頻率設(shè)計(jì)流程，分析了寬頻段電臺(tái)機(jī)內(nèi)干擾與時(shí)鐘、本振等主要設(shè)計(jì)要素的關(guān)系，提出了一種新的頻率流程設(shè)計(jì)思路及消除機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)的方法。工程應(yīng)用表明，寬頻帶電臺(tái)的機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)控制在總工作點(diǎn)數(shù)的0.2％以內(nèi)。

寬頻段電臺(tái)；機(jī)內(nèi)干擾；頻率流程設(shè)計(jì)；干擾消除

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)大多具有多頻段、多功能及多種波形體制等特點(diǎn)，單一電臺(tái)可在多個(gè)頻段工作，且具有很多的工作頻點(diǎn)，這類電臺(tái)可稱為寬頻段電臺(tái)。如美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電（JRTS）［1－2］的工作頻段為2 MHz～2 GHz，覆蓋了短波、超短波及微波等多個(gè)頻段，有多達(dá)上萬個(gè)工作頻點(diǎn)。

寬頻段電臺(tái)設(shè)計(jì)面對的一個(gè)難題是如何將機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)控制在允許的范圍內(nèi)，對于類似于JRTS的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)，工程上允許存在的機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)不超過總工作頻點(diǎn)數(shù)的0.2％。

針對電臺(tái)頻率流程設(shè)計(jì)［3］，工程上主要圍繞如何將接收信號(hào)進(jìn)行合理的頻率變換、對外來的干擾信號(hào)有效濾除來進(jìn)行，而對消除由機(jī)內(nèi)時(shí)鐘、本振等信號(hào)的組合形成機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)考慮不多。對于工作頻段窄、工作頻點(diǎn)數(shù)少的窄頻段電臺(tái)來說，采用這種頻率流程設(shè)計(jì)，也足以控制可能落在工作頻段內(nèi)干擾頻點(diǎn)，甚至可以完全消除它們。但對于工作頻段寬達(dá)數(shù)個(gè)倍頻程的寬頻段電臺(tái)來說，采用常用的頻率流程設(shè)計(jì)消除這些機(jī)內(nèi)干擾點(diǎn)卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。工程上通常采用電磁屏蔽及電路濾波等措施，降低機(jī)內(nèi)時(shí)鐘、本振等信號(hào)的輻射和傳導(dǎo)分量，達(dá)到減少或消除機(jī)內(nèi)干擾點(diǎn)的目的。

本文從電臺(tái)工程設(shè)計(jì)出發(fā)，分析機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理，提出一種新的頻率流程設(shè)計(jì)思路，給出消除機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)的措施。

2 機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)電臺(tái)在某些頻點(diǎn)工作時(shí)，電臺(tái)內(nèi)部的電磁信號(hào)諧波或組合落入工作頻帶或中頻帶內(nèi)，造成這些工作頻點(diǎn)接收性能下降，通常定義為接收機(jī)標(biāo)稱靈敏度下降10 dB及以上，這些頻點(diǎn)被稱作機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)或“壞點(diǎn)”。根據(jù)該定義，機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)是機(jī)內(nèi)已有時(shí)鐘、本振等的諧波成分或組合成分形成的干擾。

電臺(tái)常用超外差結(jié)構(gòu)如圖1所示。接收信號(hào)Fi經(jīng)兩次變頻得到輸出中頻信號(hào)送解調(diào)器解調(diào)，兩個(gè)本振信號(hào)分別為fL1、fL2，兩個(gè)中頻信號(hào)分別為fi1、fi2，本振時(shí)鐘為fc1，另外兩個(gè)時(shí)鐘fc2、fc3可考慮為電臺(tái)顯控芯片用時(shí)鐘、信號(hào)處理芯片用時(shí)鐘。圖1中的虛線示意時(shí)鐘或本振信號(hào)通過輻射或傳導(dǎo)的途徑。

圖1 電臺(tái)超外差接收示意圖

下面分析機(jī)內(nèi)干擾產(chǎn)生的機(jī)理。

（1）時(shí)鐘干擾

時(shí)鐘fc1、fc2、fc3選取不當(dāng)，其諧波成分落入接收信號(hào)Fi信號(hào)帶內(nèi)。如時(shí)鐘fc1選為12.8 MHz，就存在時(shí)鐘10次諧波落入工作頻率128 MHz形成干擾問題。時(shí)鐘fc2、fc3選取不當(dāng)，也會(huì)造成對工作頻率的干擾。

（2）組合干擾

本振信號(hào)fL1、fL2的多階組合或fL1、fL2與時(shí)鐘fc1的多階組合，落入一中頻fi1、二中頻fi2信號(hào)帶內(nèi)。如對108～400 MHz頻段戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)，其一中頻fi1選為900 MHz、二中頻fi2選為70 MHz，那么對應(yīng)工作頻率380 MHz，fL1、fL2分別為1 280 MHz和830 MHz，會(huì)有組合1280×2－830×2＝900 MHz＝fi1，正好落入中頻，形成機(jī)內(nèi)干擾。

本振信號(hào)與接收兩次變頻有線路交聯(lián)關(guān)系，所以本振信號(hào)fL1、fL2以及它們的參考時(shí)鐘fc1最有可能通過傳導(dǎo)或輻射進(jìn)入接收機(jī)的兩個(gè)混頻器，形成干擾。而時(shí)鐘fc2、fc3一般為脈沖信號(hào)，其豐富的諧波成分通過輻射也容易落入接收前端。由于電臺(tái)的接收靈敏度較高，一般優(yōu)于－100 dBm以上，上述干擾信號(hào)易對電臺(tái)接收造成影響。因此，有必要從電臺(tái)頻率流程設(shè)計(jì)入手，分析各信號(hào)頻率之間的關(guān)系，通過合理選取各信號(hào)頻率值，消除機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)或?qū)C(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)減少到可以接受的程度。

3 寬頻段電臺(tái)設(shè)計(jì)考慮

從機(jī)內(nèi)干擾形成機(jī)理看，窄頻段電臺(tái)和寬頻段電臺(tái)都會(huì)遇到這個(gè)問題。窄頻段和寬頻段沒有嚴(yán)格的定義區(qū)分，可以大致用工作頻段相對帶寬加以區(qū)分，相對帶寬30％以下稱窄頻段電臺(tái)，相對帶寬30％以上稱寬頻段電臺(tái)。窄頻段電臺(tái)工作頻段較窄，工作總頻點(diǎn)數(shù)也不多，適當(dāng)選取時(shí)鐘及本振頻率可有效排除機(jī)內(nèi)干擾，而寬頻段電臺(tái)頻率設(shè)計(jì)則要難得多，需要仔細(xì)考慮。

從前述分析可以看到，時(shí)鐘和本振信號(hào)是形成機(jī)內(nèi)干擾點(diǎn)的源頭，而時(shí)鐘、本振和接收中頻的選取構(gòu)成了電臺(tái)的頻率流程設(shè)計(jì)核心內(nèi)容。本節(jié)以寬頻段電臺(tái)為例，重點(diǎn)分析其頻率設(shè)計(jì)流程，找出消除機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)的措施，其中的方法同樣適用于窄頻段電臺(tái)。此外，對機(jī)內(nèi)信號(hào)的電磁輻射和傳導(dǎo)、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁兼容措施也必不可少，文獻(xiàn)［4］第3章對電磁兼容措施有較詳細(xì)的論述，本文不再展開討論。

3.1 電臺(tái)頻率流程設(shè)計(jì)

電臺(tái)頻率流程設(shè)計(jì)［4］是電臺(tái)最重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，它事關(guān)電路實(shí)現(xiàn)難易程度、機(jī)內(nèi)組合干擾多少、鏡頻干擾抑制實(shí)現(xiàn)難易等諸多設(shè)計(jì)相關(guān)因素。本文只討論與產(chǎn)生機(jī)內(nèi)干擾相關(guān)的中頻、時(shí)鐘、本振等頻率的選取，參考圖1，進(jìn)行頻率流程設(shè)計(jì)討論。

為便于分析，先對電臺(tái)工作頻率作以下假設(shè)：工作頻率F1～FN，則工作頻段ΔF＝FN－F1；波道間隔Δf。由此可知：電臺(tái)有工作頻點(diǎn)i＝1，2，…，N個(gè)，任一電臺(tái)工作頻點(diǎn)的信號(hào)帶寬可表示為Fi±Δf/2，F(xiàn)i∈（F1，F(xiàn)N），集合內(nèi)的每個(gè)頻點(diǎn)間隔為Δf。

由圖1可以確定電臺(tái)頻率流程幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系：一本振fL1＝Fi－fi1，一本振的點(diǎn)數(shù)與工作頻點(diǎn)數(shù)相同；二本振為固定頻點(diǎn)fL2，fL2＝fi1－fi2。本振頻率的選取除了與工作頻率相關(guān)外，還與中頻頻率選取相關(guān)。中頻頻率選取一般有如下考慮：

（1）該頻率是標(biāo)準(zhǔn)中頻頻率，易于獲得相應(yīng)的濾波器，如10.7 MHz、70 MHz、868.3 MHz、900 MHz等；

（2）一中頻一般采用高中頻方案，利于鏡頻干擾的濾出。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，一中頻一般選取高于工作頻段最高頻率的2倍，如對100～400 MHz的寬帶戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)可選900MHz；二中頻選取主要取決于信息帶寬及二中濾波器的選擇性，可考慮選取10.7 MHz或455 kHz。

中頻確定后，即可確定二本振頻率fL2＝fi1－fi2，然后依據(jù)電臺(tái)工作頻率確定電臺(tái)的一本振頻率范圍fL1＝Fi－fi1，F(xiàn)i∈（F1，F(xiàn)N）。

3.2 時(shí)鐘頻率選取考慮

電臺(tái)是獨(dú)立的無線電設(shè)備，需要自行產(chǎn)生必要的機(jī)內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)，用于合成收發(fā)本振，提供信號(hào)處理芯片時(shí)鐘、顯示控制時(shí)鐘等。為了避免復(fù)雜的頻率合成，通常選用幾個(gè)獨(dú)立晶振來實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

時(shí)鐘頻率的選取需要兼顧以下兩方面需求：（1）時(shí)鐘需求電路的要求；

（2）時(shí)鐘諧波成分不落入接收信號(hào)帶內(nèi)。

這里以本振所需的參考時(shí)鐘fc1為例進(jìn)行討論，其他時(shí)鐘選取方法類似。

時(shí)鐘是本振的參考源，本振輸出頻率與時(shí)鐘頻率存在對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系?，F(xiàn)代電臺(tái)一般采用易實(shí)現(xiàn)的間接式合成方法或稱鎖相環(huán)法（PLL），以及直接頻率合成（DDS）加PLL法［2］，如圖2所示。

圖2 PLL及DDS＋PLL頻率合成框圖

PLL合成法在時(shí)鐘fc1后分別接兩個(gè)參考分頻器，分頻比為整數(shù)R1、R2，分別產(chǎn)生本振fL1、fL2所需的參考頻率。

DDS＋PLL合成法與PLL合成法基本相似，只是用DDS替代R1參考分頻器，fc1作為DDS的時(shí)鐘，DDS的輸出作為本振fL1的參考頻率。采用DDS可以獲得更小的頻率輸出間隔以及更快的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間。

對PLL頻率合成法，時(shí)鐘fc1與輸出本振的數(shù)學(xué)關(guān)系可分別表示為

對DDS＋PLL頻率合成法，時(shí)鐘fc1與輸出本振的數(shù)學(xué)關(guān)系可分別表示為

結(jié)合時(shí)鐘需求的第2點(diǎn)，時(shí)鐘諧波成分不落入接收信號(hào)帶內(nèi)，應(yīng)有N×fc1不落入Fi±Δf/2之內(nèi)。歸納選取本振時(shí)鐘的要求如下：

（1）fc1是波道間隔Δf的整數(shù)倍，fc1＝R×Δf；

（2）N×fc1諧波成分不落入Fi±Δf/2之內(nèi)。

由于Fi一般也是Δf的整數(shù)倍，表示為Fi＝Q×Δf，若R和Q存在最小公倍數(shù)，使某一頻點(diǎn)Fi在F1～FN范圍內(nèi)，則fc1會(huì)造成對工作頻點(diǎn)Fi的干擾。有如下兩種解決方法。

（1）提高fc1的頻率值，使R和Q的最小公倍數(shù)變大，讓可能產(chǎn)生的干擾落在F1～F2范圍外或落入的點(diǎn)數(shù)盡量少。如，將fc1提高5倍，則fc1的諧波落入F1～FN形成干擾的點(diǎn)數(shù)會(huì)減少到原來的1/5，如圖3所示。而對于窄頻段電臺(tái)，則選fc1＞ΔF＝FN－F1，可完全消除時(shí)鐘干擾，如圖4所示。

圖3 時(shí)鐘為fc1和5fc1形成干擾對比示意圖

圖4 fc1＞ΔF情況時(shí)鐘諧波干擾示意圖

（2）選擇合適的fc1，使其大多諧波成分落在兩個(gè)相鄰工作頻帶Fi±Δf/2、Fi＋1±Δf/2的中間。

如圖5所示，時(shí)鐘的某次諧波正好落在Fi＋Δf/2處，對Fi和Fi＋1均不形成干擾。Fi＋Δf/2頻率處不是絕對的，可以允許在左右有少量的偏差的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，這取決于接收通道濾波器的選擇性。除極個(gè)別點(diǎn)，時(shí)鐘的其他次諧波大多也會(huì)落在兩個(gè)相鄰工作波道的中間，大大降低了形成機(jī)內(nèi)干擾點(diǎn)的概率。

圖5 時(shí)鐘諧波落入兩個(gè)波道中間干擾示意圖

時(shí)鐘fc1由下列關(guān)系式確定：

式中，n為正整數(shù)，代表時(shí)鐘的諧波次數(shù)。由于Fi屬于一個(gè)頻段，n的取值有多個(gè)，即使確定為某個(gè)Fi值計(jì)算fc1，n的取值也可不唯一。在工程上，要結(jié)合晶振的實(shí)現(xiàn)的頻率范圍、成本等因數(shù)考慮，一般選取n不大于10。n越小，其諧波落入電臺(tái)工作頻段的點(diǎn)數(shù)越少，形成干擾的可能性就越小。

這樣，fc1一定不是Δf的整數(shù)倍，要得到Δf鑒相頻率，可采用圖3所示DDS方案，通過選取合適的獲得。

3.3 本振信號(hào)組合干擾的解決措施

由于存在圖1所示的途徑，本振信號(hào)會(huì)分別進(jìn)入另一混頻器，本振信號(hào)fL1、fL2會(huì)在一混頻器以及二混頻器產(chǎn)生組合分量。

組合干擾頻率表達(dá)為：f＝m×fL1±n×fL2，m、n為正整數(shù)。本振fL1表示一個(gè)較寬頻段的多個(gè)頻點(diǎn)，其多階組合分量的計(jì)算較為復(fù)雜。目前已出現(xiàn)許多頻率分析軟件，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出fL1、fL2的多階數(shù)的組合分量是否落入fi1、fi2濾波器帶內(nèi)，為設(shè)計(jì)者檢驗(yàn)最終選擇結(jié)果。

上述方法需通過大量、反復(fù)的計(jì)算來驗(yàn)證所選頻率是否合適。進(jìn)一步分析組合干擾f＝m×fL1± n×fL2，如3.2節(jié)描述fL1、fL2一般是波道間隔Δf的整數(shù)倍，那么組合干擾f也一定是Δf的整數(shù)倍，形成干擾的可能性較大。若將中頻fi1、fi2選為Δf的整數(shù)倍值上偏移Δf/2，則會(huì)大大減少落入中頻帶內(nèi)的組合分量。

3.4 應(yīng)用實(shí)例

在工程實(shí)際設(shè)計(jì)中，如對108～400 MHz戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)（工作頻段不含174～225 MHz頻段），通過下面頻率流程設(shè)計(jì)，分析計(jì)算其可能產(chǎn)生的機(jī)內(nèi)干擾點(diǎn)情況。時(shí)鐘諧波干擾情況見表1，表中，本振時(shí)鐘54.006 25 MHz由式（5）中Fi＝108 MHz、n＝2計(jì)算而來。

表1 時(shí)鐘諧波形成的干擾點(diǎn)對比情況Table 1 Comparison of interference by different clock′s harmoniouswave

而對本振組合，考慮兩個(gè)中頻分別為900 MHz、70 MHz，對應(yīng)的本振頻率為fL1＝1 008～1 300 MHz， fL2＝830 MHz，通過軟件計(jì)算組合m×fL1±n×fL2，考慮10階以內(nèi)的組合，大約有幾十個(gè)干擾點(diǎn)回落在900 MHz±25 kHz帶內(nèi)。而將中頻調(diào)整為898.112 5 MHz、69.987 5 MHz，通過軟件計(jì)算組合干擾在幾個(gè)之內(nèi)。

通過實(shí)際的工程驗(yàn)證，上述寬頻段電臺(tái)的機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)控制在總工作點(diǎn)數(shù)的0.2％以內(nèi)。

4 結(jié)束語

消除機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)是寬頻段電臺(tái)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文通過分析中頻、時(shí)鐘、本振頻率和機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)關(guān)系，針對性提出在傳統(tǒng)頻率流程設(shè)計(jì)中時(shí)鐘和中頻選取值基礎(chǔ)增加適當(dāng)偏移量的方法，可大大減少機(jī)內(nèi)干擾點(diǎn)形成的幾率，并通過工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證了方法的有效性，對相關(guān)工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。設(shè)計(jì)中選取了非標(biāo)準(zhǔn)、非典型的時(shí)鐘及中頻頻率，會(huì)使相應(yīng)器件的成本有所上升，但能消除寬頻段電臺(tái)的機(jī)內(nèi)干擾頻點(diǎn)，還是值得的。

［1］張冬辰，周吉.軍事通信［M］.2版.北京：國防工業(yè)出版社，2008.ZHANG Dong-chen，ZHOU Ji.Military Communication［M］.2nd ed.Beijing：National Defense Industry Press，2008.（in Chinese）

［2］于全.戰(zhàn)術(shù)通信理論和技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.YU Quan.Tactical Theory and Technology［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2009.（in Chinese）

［3］Carlson A B.通信系統(tǒng)［M］.卞正中，朱世華，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，1992.Carlson A B.Communication Systems［M］.Translated by BIAN Zheng-zhong，ZHU Shi-hua.Xi′an：Xi′an Jiaotong U-niversity Press，1992.（in Chinese）

［4］Manassewitsch V.頻率合成原理與設(shè)計(jì)［M］.何松柏，宋亞梅，鮑景富，等，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.Manassewitsch V.Frequency Synthesizers Theory and Design［M］.Translated by HESong-bai，SONGYa-mei，BAO Jingfu，et al.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2008.（in Chinese）

徐彤（1967—），男，四川成都人，2008年于電子科技大學(xué)獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)。

XU Tong was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1967.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2008.He is now a senior engineer.His research direction iswireless communication.

Email：xutongchncd＠sina.com

Analysis of Inside-machine Interference and Design Consideration in W ide-band Radio

XU Tong
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The inside-machine interference towide-band radio is discussed，including interference source，mechanism and route.The relationships between inside-machine interference and clock，local oscillation are analyzed forwide-band radio by applying design of frequency flow chart.The new idea for design of frequency flow chart is proposed and themethod for eliminating inside-machine interference is given.Engineering application shows the inside-machine points in the radio are limited within 0.2％of total operating points.

wide-band radio；inside-machine interference；design of frequency flow chart；interference elimination

TN802

A

1001－893X（2013）03－0347－05

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.023

2012－12－20；

2013－03－18 Received date：2012－12－20；Revised date：2013－03－18

??通訊作者：xutongchncd＠sina.com Corresponding author：xutongchncd＠sina.com