一種V/U頻段零中頻發(fā)射信道小型化設(shè)計(jì)

余 江

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510656)

0 引言

超短波通信作為目前視距通信的主要手段，具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 頻段寬、通信容量大；② 視距以外的不同網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)可以用相同頻率工作，不會(huì)互相干擾；③ 可用方向性較強(qiáng)的天線，有利于抗干擾；④ 受晝夜和季節(jié)變化影響小，通信較穩(wěn)定。因此，超短波通信是目前軍用電臺(tái)的主要通信手段。在小型化、低功耗的發(fā)展趨勢(shì)下，超短波電臺(tái)也向著小型化、輕型化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。作為電臺(tái)的主要部分，射頻信道的輕小設(shè)計(jì)成為電臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì)的主要手段。鑒于目前廣泛使用的超外差技術(shù)架構(gòu)，由于經(jīng)過了變頻電路，使整個(gè)發(fā)射通路變得復(fù)雜，無論在器件規(guī)模還是功耗方面都在小型化設(shè)計(jì)時(shí)顯得捉襟見肘。伴隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射機(jī)技術(shù)也正向著小型化、寬帶化及高頻化方向發(fā)展，單芯片調(diào)制器的技術(shù)成熟，使得正交發(fā)射成為可能。本文在小型化、低功耗的前提下，基于正交發(fā)射的基本架構(gòu)，從基帶電路、頻率合成和射頻信道3個(gè)方面對(duì)V/U頻段的寬帶發(fā)射信道進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 基帶電路設(shè)計(jì)

零中頻發(fā)射機(jī)[1-6]適用于中等性能指標(biāo)的寬帶數(shù)據(jù)傳輸，由于設(shè)計(jì)成CMOS SOC集成結(jié)構(gòu)，多用于低成本、低功耗的寬帶應(yīng)用，如藍(lán)牙及WiFi等都采用零中頻發(fā)射架構(gòu)。圖1給出了零中頻發(fā)射機(jī)的架構(gòu)示意圖。

圖1 零中頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)示意圖

基帶信號(hào)I(t)和Q(t)經(jīng)本振作用后直接變頻到最終的發(fā)射頻率fT，然后在調(diào)制器輸出端組合成信號(hào)S(t):

S(t)=I(t)cos(ωTt)-Q(t)sin(ωTt)，

其中：I(t)=A(t)cos(φ(t))，

Q(t)=A(t)sin(φ(t))，

則S(t)=A(t)cos(ωt+φ(t))。

S(t)即為正交發(fā)射的射頻信號(hào)。

與超外差發(fā)射機(jī)比較，由于沒有鏡像噪聲和中頻分量，調(diào)制器的輸出不再經(jīng)過帶通濾波器，而是直接與功率放大器的輸入相連接，信號(hào)經(jīng)功率放大器放大和低通濾波器或帶通濾波器(用來抑制功率放大器的諧波和寬帶噪聲)濾波后發(fā)射出去。同樣，功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)被用來優(yōu)化功率輸出與線性度之間的關(guān)系。零中頻發(fā)射機(jī)對(duì)后端的線性度、頻譜純度和I/Q平衡性要求更高，由于本振與射頻同頻，射頻信號(hào)通過不合格的屏蔽會(huì)使VCO再調(diào)制，使頻譜擴(kuò)散。但基于零中頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的本振發(fā)生器，不再需要中頻部分，大大簡(jiǎn)化了發(fā)射機(jī)組件，從而降低成本和尺寸。

如圖2所示，基帶變頻采用ADI公司的正交調(diào)制LTC5598IUF[7]，標(biāo)稱工作頻段5 MHz～1.6 GHz，在V/U頻段， LTC5598IUF作為正交調(diào)制器，將I/Q基帶數(shù)據(jù)直接調(diào)制到射頻，減少中頻級(jí)處理的同時(shí)減少因混頻帶來的雜散，這將有利于發(fā)射雜散控制和小型化設(shè)計(jì)。

基帶I/Q數(shù)據(jù)經(jīng)AD9716BCPZ雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換后，通過LT6600-10[8]濾波成形進(jìn)入調(diào)制器LTC5598IUF，與本振信號(hào)調(diào)制，生成V/U頻段的射頻信號(hào)?；贚TC5598IUF優(yōu)秀的調(diào)制性能，可以實(shí)現(xiàn)EVM<1%，ACPR>55 dB的優(yōu)異射頻指標(biāo)。如圖3和圖4所示。其中LT6600-10是一塊噪聲極低差分放大器和10 MHz低通濾波器，它將一個(gè)全差分放大器和一個(gè)近似契比雪夫(Chebyshev)頻響的4階10 MHz的低通濾波器集成在一起實(shí)現(xiàn)濾波和放大功能。僅需要多個(gè)精準(zhǔn)的外部元件對(duì)增益和帶寬進(jìn)行修整，且濾波器 10 MHz 截止頻率和通帶波紋是在內(nèi)部設(shè)定，無需外部元件，芯片內(nèi)部還提供了必要的電平移位，用于輸出共模電壓。AD9716BCPZ[9]是一款低功耗雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在125MSPS時(shí)的功耗降至35 mW。

圖2 基帶電路框圖

圖3 基帶調(diào)制后EVM測(cè)試圖

圖4 基帶調(diào)制后ACPR測(cè)試圖

2 頻率合成設(shè)計(jì)

頻合電路為發(fā)射電路提供本地振蕩器，一般提供可變本振的電路有單鎖相環(huán)、DDS和乒乓式鎖相環(huán)3種，不同特性如表1所示。

表1 不同本振技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

指標(biāo)單PLLDDS乒乓式PLL工作頻率較高低較高頻率分辨率一般極高一般鎖定速度慢快快相位噪聲較低低較低頻譜雜散低高低功耗低高一般面積一般低高

為提高頻率轉(zhuǎn)換的速度，滿足超短波通信快速跳頻需求，并合理控制功耗，本振采用了2個(gè)鎖相環(huán)路交替輸出的乒乓式鎖相環(huán)，即第1個(gè)頻率合成器鎖定在某一個(gè)頻率時(shí)，接通開關(guān)輸出該頻率信號(hào)，同時(shí)斷開另一個(gè)頻率合成器的輸出開關(guān)，并為該頻率合成器送下一組頻率數(shù)據(jù)，進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)換頻時(shí)，接通該環(huán)輸出并斷開前一個(gè)頻率合成器的輸出，如此循環(huán)可使頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于10 μs。

采用乒乓切換的跳頻源本振方案需要重點(diǎn)考慮2個(gè)環(huán)路之間的干擾和開關(guān)隔離度。試驗(yàn)結(jié)果表明，2個(gè)環(huán)路分開，通過合理的布線和良好的屏蔽，選用高隔離度的射頻開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)80 dB的隔離，滿足應(yīng)用需求。

設(shè)計(jì)采用集成VCO的寬帶頻率合成器ADF4351[10]。ADF4351是ADI公司生產(chǎn)的一款低噪聲寬頻帶鎖相環(huán)(PLL)，歸一化噪聲基底為-221 dBc/Hz，VCO輸出頻率范圍2 200～4 400 MHz，利用內(nèi)部可編程分頻器，輸出頻率可低至35 MHz。

設(shè)計(jì)需要30～512 MHz的本振頻率，配置寄存器，使PLL輸出60～1 024 MHz，采用二分頻的方式實(shí)現(xiàn)本振30～512 MHz的本振輸出。本振電路框圖如圖5所示。

圖5 本振電路框圖

根據(jù)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)理論[11-16]，在壓控振蕩器(VCO)壓控靈敏度，鑒相器鑒相增益一定的情況下，PLL的設(shè)計(jì)主要是環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，利用ADI公司PLL仿真工具ADIsimPLL，采用30.72 MHz晶振作為參考頻率，鑒相頻率15.36MHz進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，電路圖如圖6所示。在413.5 MHz處的相位噪聲為-127 dBc/Hz@100 KHz，-145 dBc/Hz@1 MHz，如圖7所示,滿足超短波電臺(tái)發(fā)射噪聲要求。

圖6 ADF4351電路圖

圖7 實(shí)際測(cè)試相位噪聲

3 射頻電路設(shè)計(jì)

如圖8所示，基帶數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制后的射頻信號(hào)進(jìn)入射頻電路，不失一般性，射頻信號(hào)功率為0 dBm，無法滿足超短波通信所需的功率和噪聲要求，需要射頻鏈路對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，包括信號(hào)的放大、濾波和衰減電路。

圖8 零中頻發(fā)射機(jī)信道框圖

調(diào)制信號(hào)首先經(jīng)過一級(jí)放大電路，將信號(hào)放大到15 dBm左右，進(jìn)入第1級(jí)濾波器，在超短波通信中，為了解決共址干擾問題，一般采用跳頻窄帶濾波器，可有效濾除帶外噪聲，保證發(fā)射的頻譜純度。經(jīng)過第1級(jí)跳頻濾波器后，射頻信號(hào)經(jīng)過數(shù)控衰減器，通過對(duì)末級(jí)功放的檢波，反饋給數(shù)字端，控制數(shù)控衰減器，將寬頻帶的射頻信號(hào)控制在合理的功率水平，保證發(fā)射功率平坦。之后，射頻信號(hào)經(jīng)第2級(jí)放大器，將功率推到20 dBm，保證在經(jīng)過第2級(jí)跳頻濾波器后，功率水平不低于16 dBm，第2級(jí)放大器的選型1 dB壓縮點(diǎn)不低于21 dBm。經(jīng)過第2級(jí)跳頻濾波器后，射頻功率為16 dBm，底部噪聲為環(huán)境熱噪聲-174 dBm/Hz，以此功率接入后級(jí)功放單元，通過共址和放大，達(dá)到超短波通信所需的功率水平，一般為33 dBm或37 dBm。增益與噪聲分配如表2所示。

表2 增益與噪聲分配表器件參數(shù)

射頻參數(shù)放大器G:15dBNF:5dB跳頻濾波器插損:4dB阻帶:40dB放大器G:10dBNF:5dB跳頻濾波器插損:5dB阻帶:40dB0dBm15dBm11dBm21dBm16dBm-145dBm/Hz-130dBm/Hz-170dBm/Hz-155dBm/Hz-174dBm/Hz

與超外差發(fā)射機(jī)的信道相比，零中頻發(fā)射機(jī)在電路尺寸、功耗及成本方面有了明顯降低，整個(gè)發(fā)射信道功耗不大于1 W，射頻輸出頻譜如圖9所示。

圖9 零中頻發(fā)射機(jī)發(fā)射頻譜圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的V/U頻段發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方法，通過合理的信道、頻合和基帶設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高性能的有效折中，在功耗不到1 W的前提下，實(shí)現(xiàn)輸出功率16 dBm ，寬帶噪聲滿足超短波通信要求。該本振電路可以作為獨(dú)立模塊，用于超外差收發(fā)信機(jī)的可變本振，實(shí)現(xiàn)高速跳頻。本發(fā)射機(jī)基于零中頻發(fā)射機(jī)的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，采用小型化、集成化的器件，實(shí)現(xiàn)手持式V/U頻段發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，通過合理的上變頻設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更寬頻段的小型化發(fā)射機(jī)。