一種雙載波收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何　驥，高紅山

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種雙載波收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何驥，高紅山

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要為了獲得更好的傳輸能力和抗干擾能力，提出了一種雙載波收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)思路。采用矢量乘法器和正交解調(diào)器等通用芯片進(jìn)行了電路實(shí)現(xiàn)，給出了上下行鏈路射頻變換部分的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)要點(diǎn)。對發(fā)射單元和接收單元進(jìn)行了仿真，并對電路進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)合電路實(shí)現(xiàn)和測試，驗(yàn)證了接收端正確分離、解調(diào)2路載波上調(diào)制信號的能力。提供了一種在降低系統(tǒng)復(fù)雜度、減小體積功耗要求的前提下，增加系統(tǒng)接收能力和應(yīng)用靈活性的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞BPSK；正交解調(diào)器；射頻變換；雙載波傳輸

Design and Implementation of a Double-carrier Transceiver

HE Ji,GAO Hong-shan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractTo acquire the capabilities of stable transmission and anti-interference,this paper puts forward a design concept of double-carrier transceiver.The circuit design is implemented by using vector multiplier and quadrature demodulator.The implementation method and technical parameters of RF transformation in uplink and downlink are presented.The simulation is performed for transmitting unit and receiving unit,and the optimization is performed for circuit.The test results show that the data can be received correctly from the two carriers,and the system can meet the expected requirement of specifications.The design not only simplifies the complexity of the system,decreases the volume and power consumption,but also improves the receiving capability and application flexibility.

Key wordsBPSK;quadrature demodulator;RF transform;double-carrier transmission

0引言

在某些應(yīng)用中，需要將信息在不同的載波頻率上發(fā)出，在接收端同時(shí)接收不同載波信號，處理獲得的2路發(fā)端信息并加以判斷，使得接收端能夠更加可靠地接收信息。傳統(tǒng)的解決方式是在發(fā)端使用2套發(fā)射電路，將基帶信號分別調(diào)制變換到不同的載波頻率上發(fā)射出去；對應(yīng)地在接收端，使用2套接收電路分別工作在2個(gè)載波頻率上，對射頻信號進(jìn)行下行頻率變換和解調(diào)，恢復(fù)出基帶信號。

在本研究中，由于應(yīng)用場景和平臺的限制，對于信道單元的小型化、低成本特別是體積重量方面都有明確的要求，傳統(tǒng)方式無法適應(yīng)需求，而隨著數(shù)字處理技術(shù)[1]和元器件生產(chǎn)工藝水平的提升，高性能、小型化的電子通信系統(tǒng)在工程實(shí)現(xiàn)中成為可能也是追求的目標(biāo)，針對這樣的背景，設(shè)計(jì)研制了一種簡單、可靠的收發(fā)信機(jī)電路，利用矢量乘法器和正交解調(diào)器配合數(shù)字信號處理技術(shù)，分別在一套硬件電路上實(shí)現(xiàn)雙載波的發(fā)射和接收。

1方案設(shè)計(jì)

1.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)

研制的雙載波發(fā)射單元射頻工作頻段[2]為250～450 MHz，采用二次變頻方式完成基帶信號至射頻信號變換，發(fā)射電路框圖如圖1(a)所示。

圖1　電路設(shè)計(jì)框圖

在頻域上，經(jīng)射頻變換后生成的2路載波信號以射頻本振信號為中心對稱分布，射頻振蕩器頻率決定射頻信號的工作頻段，中頻振蕩器頻率決定2個(gè)射頻載波之間的頻率間隔。

1.2接收電路設(shè)計(jì)

接收電路同樣采用二次變頻方式，射頻信號分為上下2個(gè)支路分別進(jìn)行接收信號處理，電路框圖如圖1(b)所示。

接收的射頻信號經(jīng)分路后首先進(jìn)行射頻下變頻，射頻振蕩器輸出的本振信號經(jīng)過處理后形成正交的2路信號分別進(jìn)入上下支路的射頻混頻器進(jìn)行混頻，混頻后的輸出信號經(jīng)過帶通濾波器后進(jìn)入中頻混頻器，與前級相同，中頻振蕩器輸出的本振信號經(jīng)過處理后形成正交的2路信號，分別進(jìn)入上下支路的中頻混頻器進(jìn)行混頻，混頻后的輸出信號經(jīng)過低通濾波器后，將2路信號分別進(jìn)行相加和相減，完成2路載波信號的調(diào)制信息分離，再分別進(jìn)行自相關(guān)解調(diào)[4]形成2路基帶信號，圖1(b)中基帶信號1對應(yīng)高端載波的解調(diào)信號，基帶信號2對應(yīng)低端載波的解調(diào)信號。

2實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)

發(fā)射電路的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)在射頻變換的實(shí)現(xiàn)，無線電收發(fā)系統(tǒng)中的主要功能單元是混頻器，它的工作質(zhì)量確定無線電系統(tǒng)的大多基本參數(shù)。本電路中，射頻混頻器需特別關(guān)注本振抑制、雜散以及2路載波的平衡輸出。

發(fā)射電路射頻變換主要使用的器件包括矢量乘法器、頻率綜合器及其他輔助器件，矢量乘法器作為混頻器件選用的是ADL5390。

ADL5390是一款雙通道向量乘法器，適用于寬帶無線接入系統(tǒng)、微波無線電鏈路以及手機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備中的中頻(IF)與射頻(RF)發(fā)射機(jī)。ADL5390的工作頻率范圍為20 MHz～2.4 GHz，可接收2個(gè)輸入信號，在輸出端提供其加和信號，支持每通道調(diào)節(jié)。

發(fā)射機(jī)射頻變換電路如圖2所示，中頻信號經(jīng)濾波后從ADL5390的INMQ、INPQ和INPI以及INMI引腳接入，射頻振蕩器使用Silicon Labs的Si57X系列可編程頻率綜合器[5]。頻率綜合器產(chǎn)生的本振信號進(jìn)入ADL5390的QBBP、QBBM和IBBP以及IBBM引腳，頻率控制通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，控制接口協(xié)議為I2C。

圖2　收發(fā)電路射頻變換部分實(shí)現(xiàn)

中頻輸入信號和射頻載頻信號的引線在PCB制版設(shè)計(jì)時(shí)須注意保持2路通道長度一致，以保證良好的相位一致性。ADL5390的射頻輸出信號通過1∶1的寬帶巴倫傳輸線變壓器輸出，實(shí)現(xiàn)50 Ω阻抗匹配。

2.2接收電路實(shí)現(xiàn)

接收電路的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)同樣是射頻變換的實(shí)現(xiàn)部分，它完成接收信號的首次分離，必須保證2路信號的正交性以及各自信號處理過程中的相位一致性[6,7]。

接收電路射頻變換主要使用的器件包括正交解調(diào)器、頻率綜合器、帶通濾波器及其他輔助器件，正交解調(diào)器作為混頻器件選用的是AD8348。

AD8348是用于射頻及中頻正交解調(diào)(QAM/QPSK)的高帶寬解調(diào)器，其解調(diào)帶寬為75 MHz，解調(diào)范圍為50～1 000 MHz，可調(diào)范圍為44 dB，相位精度可達(dá)0.5°，廣泛運(yùn)用于W-CDMA、GSM以及有線數(shù)字電視解調(diào)電路中。

接收機(jī)射頻變換電路如圖2所示，接收電路的射頻振蕩器同樣使用Silicon Labs的Si57X系列可編程頻率綜合器，頻率控制通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，輸出頻率數(shù)值是實(shí)際所需射頻本振頻率的2倍。頻率綜合器產(chǎn)生的本振信號通過AD8348的LOIP、LOIN引腳隔直耦合引入，在AD8348芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)2分頻和移相處理。

AD8348引腳IFIP、IFIN間阻抗為200Ω，需要通過一個(gè)1:4的寬帶射頻變壓器引入射頻輸入信號。射頻變換后的信號分別通過2個(gè)帶通濾波器完成中頻信號的選擇，再經(jīng)過AD8348的末級放大后輸出。

3系統(tǒng)仿真

仿真實(shí)現(xiàn)使用NI Multisim10電路仿真軟件。Multisim10是一款電路仿真設(shè)計(jì)軟件，能完成從電路的仿真設(shè)計(jì)到電路版圖生成的全過程，仿真設(shè)計(jì)更精確、可靠。具有強(qiáng)大的電路分析能力，有時(shí)域和頻域分析等電路分析方法。

3.1發(fā)射單元

發(fā)射電路中頻調(diào)制仿真波形如圖3所示，仿真軟件示波器里，上部顯示的是信道編碼信號，下部顯示的是調(diào)制后中頻信號波形。

圖3　發(fā)射電路中頻調(diào)制及射頻變換仿真

圖3中還給出了發(fā)射電路射頻變換仿真頻譜圖，使用軟件提供的仿真頻譜儀可以觀察射頻變換后形成的雙載波信號的頻譜成分。

3.2接收單元

接收電路仿真圖如圖4所示，接收信號在2條支路上經(jīng)過2次混頻，在末端通過相加和相減分離出2個(gè)信號，示波器顯示的上部為第1路信息信號，下部為第2路信息信號。

圖4　接收電路仿真

4測試結(jié)果分析

4.1發(fā)射鏈路

需要傳輸?shù)幕鶐?shù)字信息經(jīng)過信道編碼、調(diào)制后與中頻本振信號進(jìn)行混頻，混頻后的信號經(jīng)過帶通濾波器濾除帶外信號[8]，避免對鄰帶信號產(chǎn)生干擾，圖5中測試項(xiàng)一為使用LeCroy 104Xi-AXX型號示波器觀察到的中頻信號波形圖。

圖5　發(fā)射波形檢測

從波形圖可以清楚看到，相位的跳變對應(yīng)著基帶數(shù)據(jù)0，1變換，這是BPSK調(diào)制的顯著特征，與仿真結(jié)果一致。

圖5中測試項(xiàng)二為使用R&S的FSH8頻譜分析儀觀察的ADL5390射頻輸出信號頻譜圖，該信號為進(jìn)入功率放大器[9]前信號，接入頻譜儀前經(jīng)過30 dB衰減。從頻譜圖上可以看到，經(jīng)ADL5390完成上行射頻變換后，對射頻本振信號進(jìn)行較好的抑制，輸出的2個(gè)載波信號電平比較一致，幅度差值<1 dBm，對交調(diào)抑制也較好。

4.2接收鏈路

接收信號經(jīng)過AD8348完成射頻變換后輸出到外部中頻濾波器進(jìn)行中頻信號選擇，圖6中測試項(xiàng)一為使用LeCroy 104Xi-A示波器觀察到的濾波后的中頻信號波形。從信號波形上可以看出疊加了噪聲。

圖6　接收波形檢測

經(jīng)過中頻變換后的信號，通過低通濾波器后，對2路信號分別進(jìn)行加減運(yùn)算，分離出上、下載波攜帶的調(diào)制信號，圖6中測試項(xiàng)二所示為上下2路信號經(jīng)低通濾波后的波形(C2、C3)，以及2路信號進(jìn)行加、減運(yùn)算后的波形(F1、F2)。F1為2路波形相減結(jié)果，F(xiàn)2為2路波形相加結(jié)果。

從圖6中所示的波形結(jié)果看，經(jīng)過加、減處理后分離出的2路信號所攜帶的相位信息清晰，后端接收解調(diào)電路[10]能夠正確恢復(fù)基帶信號1和基帶信號2。實(shí)際測試結(jié)果是解調(diào)后得到了正確的數(shù)字基帶信號。

5結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種利用矢量乘法器和正交解調(diào)器實(shí)現(xiàn)的雙載波收發(fā)信機(jī)，完成了設(shè)備硬件電路的設(shè)計(jì)、頻率綜合器自動(dòng)控制和數(shù)字FIR濾波[11,12]軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)信息在2個(gè)載波上的同時(shí)發(fā)送和接收。經(jīng)過測試，2個(gè)載波上的信息均能正確接收，增加了系統(tǒng)接收可靠性，提高了靈活應(yīng)用能力。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式簡單，配合數(shù)字信號處理技術(shù)能夠支持更多的信號收發(fā)應(yīng)用模式。

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何驥男，(1966—)，高級工程師。主要研究方向：通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)。

高紅山男，(1979—)工程師。主要研究方向：通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)。

作者簡介

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61302074)；國家部委基金資助項(xiàng)目(B1120110001)。

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0071-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.20

引用格式：何驥,高紅山.一種雙載波收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(3):71-74.