225~400MHz寬帶跳頻收發(fā)模塊的設(shè)計

張淵 張立冬 孫振超

摘 ?要： 跳頻通信是無線通信領(lǐng)域抗干擾的重要措施，為了提高信號在空中傳輸過程中的抗干擾、抗截獲能力，確保電臺能夠提供高速、安全的數(shù)據(jù)通信，設(shè)計的225～400 MHz寬帶跳頻收發(fā)模塊由混頻器、寬帶跳頻濾波器和放大器等模擬電路組成，具有較寬的頻段，中心頻率能夠隨時、隨機(jī)變化等特點，運用在跳頻電臺中使無線信號傳輸?shù)碾[蔽性更好、頻帶更寬、抗干擾能力更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 模塊設(shè)計; 中心頻率變化; 寬帶跳頻; 抗干擾; 收發(fā)模塊; 無線通信設(shè)備

中圖分類號： TN914.41?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）19?0015?03

Abstract： Frequency?hopping communication is an important anti?interference measure in the field of wireless communication. In order to improve the anti?interference and anti?interception ability of signals transmitted in the air， and ensure that the radio station can provide high?speed and safe data communication， the 225～400 MHz broadband frequency?hopping transceiving module is designed in this paper. The broadband frequency?hopping transceiving module consists of mixer， broadband frequency?hopping filter and amplifier analog circuits， and has the characteristics that its frequency range is wide， and its central frequency can be changed randomly at any time ， which make the wireless signals transmission more covert， broadband wider and anti?interference ability stronger in frequency?hopping radio.

Keywords： module design; central frequency change; broadband frequency?hopping; anti?interference; transceiving module; wireless communication device

0 ?引 ?言

21世紀(jì)無線通信系統(tǒng)面臨越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境，頻帶擁擠也日益嚴(yán)重[1]。無線通信設(shè)備需要面對更加復(fù)雜苛刻的環(huán)境要求。寬帶跳頻電臺作為通信中的重要載體必須具備更加突出的抗干擾能力和適應(yīng)能力[2]。在未來的高科技戰(zhàn)爭中，通信裝備將處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，沒有抗干擾能力或抗干擾能力弱的裝備將不可能保障通信的正常進(jìn)行。為此，世界各國軍隊都十分重視戰(zhàn)場電磁環(huán)境條件下保障自身的有效通信[3]。隨著通信技術(shù)和新型元器件的發(fā)展，各國軍方不斷加速對新的抗干擾通信方式的研究。寬帶跳頻收發(fā)模塊具有較寬的頻段，中心頻率能夠隨時、隨機(jī)變化等特點，運用在無線通信設(shè)備中使數(shù)據(jù)的傳輸更加高效可靠[4] 。

1 ?寬帶跳頻收發(fā)模塊的方案設(shè)計

本文設(shè)計的寬帶跳頻收發(fā)模塊運用在超短波電臺中，其射頻工作頻率在225～400 MHz范圍內(nèi)可調(diào)，發(fā)射增益大于57 dB，全頻段功率能力大于10 W，內(nèi)含ALC增益控制，諧波抑制二次、三次70 dB雙天線輸出，接收部分有收發(fā)開關(guān)和限幅功能。寬帶跳頻收發(fā)模塊主要由功率放大器、跳頻濾波器、收發(fā)開關(guān)、接收鏈路、溫度檢測電路及相關(guān)控制電路組成，完成收發(fā)載波的傳輸，并且根據(jù)控制信息對微波收發(fā)各單元進(jìn)行控制檢測。模塊組成原理框圖如圖1所示。

1.1 ?性能指標(biāo)

該模塊將來自收發(fā)信道單元的射頻信號放大濾波后，送天線口發(fā)射出去，并將天線接收到的射頻信號通過收發(fā)開關(guān)后送收發(fā)信道單元。性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 ?接收部分方案設(shè)計

天線接收無線空間中的信號，接收到的信號經(jīng)過寬帶跳頻收發(fā)模塊放大濾波后送至核心處理模塊，其將射頻信號變換到零中頻信號，并進(jìn)行濾波、解調(diào)等處理。接收部分原理框圖如圖2所示。

1.3 ?發(fā)射部分方案設(shè)計

寬帶跳頻收發(fā)模塊接受核心處理模塊的控制，對來自收發(fā)信道單元的射頻信號功率進(jìn)行放大，當(dāng)收發(fā)控制信號電平為高時，射頻信號送入寬帶跳頻收發(fā)模塊，經(jīng)過功率耦合檢測、諧波濾波處理后通過天線輻射到無線空間。發(fā)射部分原理框圖如圖3所示。

1.4 ?跳頻部分軟件方案設(shè)計

模塊跳頻控制方式：串口發(fā)送頻率代碼，換頻率脈沖更新當(dāng)前最新頻率。通信接口采用TTL串行通信。串口波特率為115 200 b/s，每字節(jié)1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、無校驗位、1個停止位。高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。串口數(shù)據(jù)幀由幀頭、命令、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、校驗和、幀尾組成。模塊實際工作頻率設(shè)置為：225 MHz+FRE*25 kHz，F(xiàn)RE取值0～8 000。如表2所示。

2 ?核心器件的設(shè)計

2.1 ?寬帶跳頻濾波器的設(shè)計

在跳頻濾波器的設(shè)計中需考慮225 MHz頻點以及400 MHz頻點的覆蓋，使兩個濾波器在銜接點相互覆蓋。如225～400 MHz頻段實際可控的最高頻點為405 MHz，225～400 MHz頻段實際可控的最低頻點為220 MHz。以225～400 MHz為例，其實際頻段覆蓋為220～405 MHz。由于級間耦合不可避免會在跳頻范圍內(nèi)波動，因此，選擇頻點230 MHz滿足相對帶寬的設(shè)計級間耦合系數(shù)。頻率相位、傳輸曲線仿真分別如圖4，圖5所示。

當(dāng)濾波器的中心頻率不發(fā)生變化時，可以看出隨著器件品質(zhì)因數(shù)的增加濾波器的損耗逐漸降低，濾波器的通帶帶寬也隨之增加，駐波也發(fā)生比較明顯的惡化。如果元器件的品質(zhì)因數(shù)不夠大，會在截止頻率范圍內(nèi)使頻率響應(yīng)變得圓滑不利于提高濾波器的抑制，有限值也會引起自諧振附近的抑制，將會使濾波器的通帶損耗增加?；?fù)p、損耗仿真如圖6所示。

為了滿足性能指標(biāo)中要求二次/三次諧波輸出大于70 dBc。從應(yīng)用實例中得知功放的諧波輸出小于-25 dBc，那么濾波器阻帶抑制需要大于50 dB。根據(jù)相關(guān)調(diào)試經(jīng)驗，在實際電路中濾波器的損耗比軟件仿真少5 dB，因此濾波器的阻帶抑制要大于50 dB。

2.2 ?收發(fā)開關(guān)的設(shè)計

通過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)電路得到收發(fā)開關(guān)損耗為0.3 dB，跳頻濾波器損耗為3.5 dB，限幅器損耗為0.2 dB，低噪放增益約為18 dB，模塊接收電路總增益大于14 dB。因此，收發(fā)開關(guān)發(fā)射損耗小于0.3 dB，接收損耗小于0.3 dB，接收支路的噪聲系數(shù)小于4.5 dB。收發(fā)開關(guān)的原理如圖7所示。

3 ?測試結(jié)果

本文設(shè)計的寬帶跳頻收發(fā)模塊運用在超短波電臺中，其射頻工作頻率在225～400 MHz之間頻點可調(diào)，為了驗證其相關(guān)性能指標(biāo)在空間無遮擋條件下拉開20 km，進(jìn)行雙向收發(fā)數(shù)據(jù)的無線通信實驗。實驗結(jié)果證明，本文收發(fā)模塊信道波形平整、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸延時小，能在復(fù)雜的電磁環(huán)境條件下保障自身的有效通信。20 km接收波形實測圖如圖8所示。

4 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計的225～400 MHz寬帶跳頻濾波模塊具有較寬的頻段，中心頻率能夠隨時、隨機(jī)變化等特點，運用在跳頻電臺中能夠獲得比較穩(wěn)定的5 MHz帶寬并保持一定的增益。為設(shè)計其他頻段的跳頻濾波模塊提供參考。

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