DMR數(shù)字端機(jī)射頻模塊實(shí)現(xiàn)方案研究

摘 要：本研究能夠基于DMR協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提出適用于DMR數(shù)字集群的通信手持終端射頻模塊，分析了射頻模塊技術(shù)指標(biāo)以及具體實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，能夠針對(duì)射頻模塊進(jìn)行方案改進(jìn)設(shè)計(jì)，包括整體結(jié)構(gòu)鎖相式頻率合成器、鎖相環(huán)調(diào)頻電路、功率放大器等相關(guān)部位的設(shè)計(jì)，通過(guò)射頻模塊整體制作和調(diào)試之后，分析調(diào)試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：DMR;數(shù)字端機(jī);射頻模塊;實(shí)現(xiàn)

DMR是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)所提出的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，能夠遵循國(guó)內(nèi)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)作為協(xié)議結(jié)構(gòu)，使用TDMA的雙實(shí)系接入法，各個(gè)突發(fā)包含兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的間隔為30毫秒，保護(hù)時(shí)間為2.5毫秒。相比現(xiàn)有的集群通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，DMR產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)并且成本低，具有一定的開(kāi)放度，能夠?qū)崿F(xiàn)由模擬化到數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)度，目前在市場(chǎng)上DMR集群通信標(biāo)準(zhǔn)具有較廣。

1 調(diào)頻模塊技術(shù)指標(biāo)以及問(wèn)題分析

1.1 射頻收發(fā)機(jī)性能分析

從目前發(fā)射機(jī)系統(tǒng)上來(lái)看，其包括以下參數(shù)：頻率誤差是由未調(diào)制載波頻率以及指配頻率之間的誤差，通常采用頻率精度來(lái)表示，是指載波頻率和指配頻率的誤差與指配頻率之間的比值，通常要求DMA射頻頻率精度低于2ppm。輸出載波功率是指基于未調(diào)制的基礎(chǔ)上輸入載波功率其中一個(gè)頻率周期中發(fā)射器能夠由天線輻射的平均功率大小，按照現(xiàn)有射頻功率本身需要和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求射頻板輸出功率可達(dá)到4瓦。臨近功率是在信道劃分中發(fā)射機(jī)注意一定導(dǎo)致的基礎(chǔ)上，總輸出功率是指在處于任意相鄰信道帶寬的功率，該功率對(duì)外界射頻信號(hào)會(huì)形成干擾，在設(shè)計(jì)時(shí)需要實(shí)現(xiàn)有效抑制。結(jié)合目前電網(wǎng)的集群通信標(biāo)準(zhǔn)，要求射頻發(fā)射器能夠用于一切高于60DB的鄰道干擾信號(hào)。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指DMR集群通信系統(tǒng)采用TD方式實(shí)現(xiàn)多指接入各個(gè)突發(fā)，包括兩個(gè)時(shí)隙，即發(fā)送和接收，時(shí)隙的保護(hù)時(shí)間為2.5毫秒，主要是指在2.5毫秒內(nèi)可完成頻率合成器的收發(fā)轉(zhuǎn)換等相關(guān)工作。射頻板信號(hào)控制是實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶板射頻時(shí)間轉(zhuǎn)換，包括基帶控制字符的寫(xiě)入時(shí)間，要求射頻頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間低于25毫秒，為確保射頻合成器能夠完成收發(fā)頻率轉(zhuǎn)換，要求射頻轉(zhuǎn)換時(shí)間為1毫秒。頻偏是指調(diào)頻波頻率擺動(dòng)幅度，其會(huì)從一定程度上影響調(diào)頻撥調(diào)頻帶寬。除此之外，針對(duì)射頻發(fā)射器，其包含發(fā)射頻帶和信道間隔等相關(guān)性能指標(biāo)。針對(duì)接收機(jī)的性能包括系統(tǒng)增益，是指轉(zhuǎn)換增益二端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換增益，主要是指轉(zhuǎn)換增益二端口。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換增益是送入負(fù)載功率除以信號(hào)源輸出功率的數(shù)值，經(jīng)過(guò)增益后從前向后僅需要逐級(jí)增益分配數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加。接收靈敏度是指該接收機(jī)能夠接收微弱信號(hào)的能力，其可接受的信號(hào)越弱，表明其具有較高接收靈敏度，影響接收機(jī)靈敏度的因素包括噪聲功率，內(nèi)部噪聲，信噪比以及等效帶寬。一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)部噪聲越大，其F越大，輸出的信噪比小，接收靈敏度低。對(duì)于所有電子電路來(lái)說(shuō)，非線性失真具備非線性，根據(jù)現(xiàn)有的電路理論研究假設(shè)，可線性擬合非線性交流電路，進(jìn)而為計(jì)算提供便捷，同時(shí)可滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求，然而這種電路只能夠用于無(wú)線電波毫米波等具體應(yīng)用，主要是由于非線性會(huì)從一定程度上影響系統(tǒng)的操作，系統(tǒng)非線性和各元器件非線性通常是由內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)工藝決定的，通常非線性會(huì)形成諧波，互相調(diào)制，交叉調(diào)制。

1.2 原射頻板存在問(wèn)題及分析

第一，收發(fā)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，結(jié)合現(xiàn)有的研究由于對(duì)于DMR集群通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使其保護(hù)時(shí)間間隔為2.5毫秒，是指在該階段內(nèi)能夠完成頻率的收發(fā)轉(zhuǎn)換等相關(guān)任務(wù)，由同一個(gè)頻率合成器共同進(jìn)行信息收發(fā)，在處于規(guī)定保護(hù)時(shí)間內(nèi)能夠完成由發(fā)射頻率到頻率接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，但在原射頻板測(cè)試過(guò)程中頻率合成器頻率鎖定時(shí)間長(zhǎng)，鎖定時(shí)間為3毫秒，其遠(yuǎn)超于時(shí)隙保護(hù)時(shí)間，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙工通信。頻率合成器鎖定時(shí)間長(zhǎng)，主要是由于頻率合成器的芯片整體性能較差，無(wú)法滿足高速鎖定時(shí)間，因此無(wú)法在2.5毫秒保護(hù)時(shí)間內(nèi)完成頻率鎖定。第二，網(wǎng)絡(luò)濾波器具有較窄的帶寬。環(huán)路濾波器在鎖相式頻率合成器中發(fā)揮重要作用，其帶寬能夠影響頻率設(shè)定時(shí)間，如果其具備較寬網(wǎng)絡(luò)帶寬則會(huì)縮短設(shè)定時(shí)間，但需要滿足條件，主要是由于當(dāng)存在較寬的網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)會(huì)存在失鎖問(wèn)題，因此在環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循一定原則，選擇寬度太寬。第三，功放電路無(wú)法正常運(yùn)行，對(duì)于射頻發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)已調(diào)信號(hào)功率較小，要想利用天線將一條信號(hào)輻射出去，需要由功率放大器放大信號(hào)才可滿足通信需求。在電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，功率放大器的設(shè)計(jì)也是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要信號(hào)放大到指定功率之后，提高增益使其具備良好線性，否則會(huì)存在一定程度的信息失真問(wèn)題，要求具備良好匹配。對(duì)于射頻發(fā)射機(jī)的功放電路，其無(wú)法采用一級(jí)放大信號(hào)放到指定功率，一般會(huì)接受二級(jí)或者三級(jí)放大信號(hào)處理，進(jìn)而在這一過(guò)程中級(jí)間匹配是十分重要的。在原有功放電路中，一條信號(hào)功率可達(dá)到15dbm，經(jīng)過(guò)功放電路后，其信號(hào)為6dbm，但對(duì)于該芯片通過(guò)插電之后，信號(hào)功率會(huì)出現(xiàn)顯著增加，芯片內(nèi)部的溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速升高，甚至還會(huì)存在部分元器件融化的問(wèn)題，表明該功率放大器未能夠?qū)崿F(xiàn)有效級(jí)間匹配，導(dǎo)致信號(hào)能量無(wú)法準(zhǔn)確傳送到外部，而在內(nèi)部電路中消耗，使芯片溫度持續(xù)升高。

2 射頻模塊改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)比較分析，在本研究中射頻模塊拍攝機(jī)可采用兩點(diǎn)注入式鎖相環(huán)調(diào)頻方案，發(fā)射機(jī)是由環(huán)路濾波器、頻率合成器、壓控振蕩器、一級(jí)以及二級(jí)功率放大器，天線，電子開(kāi)關(guān)等模塊構(gòu)成，同時(shí)鎖相環(huán)調(diào)頻器是由壓控振蕩器、頻率合成器以及環(huán)路濾波器構(gòu)成，可通過(guò)兩點(diǎn)注入式網(wǎng)絡(luò)可將基帶信號(hào)MOD加到頻率合成器的參考矩陣和壓控振蕩器的變?nèi)荻O管中，以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻，由壓控振蕩器形成的調(diào)頻信號(hào)可通過(guò)RF驅(qū)動(dòng)放大之后，由兩級(jí)功率放大器將其提高至4瓦，并由天線進(jìn)行發(fā)射。

2.2 鎖相式頻率合成器設(shè)計(jì)

在本射頻模塊中鎖相環(huán)頻率合成器也是其重要構(gòu)成，在發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生射頻信號(hào)接收器提供本振信號(hào)中發(fā)揮重要作用。鎖相式頻率合成器是由三個(gè)部分構(gòu)成，包括鑒相器、壓控振蕩器以及環(huán)路濾波器。比如對(duì)于鑒相器來(lái)說(shuō)，可采用MBE5F63ul，其主要是由200兆赫茲高速前置分頻器鎖相環(huán)和600兆赫茲整數(shù)分頻鎖相環(huán)構(gòu)成，在數(shù)字通信系統(tǒng)中可使用分?jǐn)?shù)頻率合成器，其具備分?jǐn)?shù)分頻功能能夠滿足高速鎖定以及低相位噪聲設(shè)計(jì)，利用串行總線數(shù)據(jù)選擇電流值的定電流電荷泵電路。

2.3 鎖相環(huán)調(diào)頻電路的設(shè)計(jì)

對(duì)于調(diào)頻技術(shù)，調(diào)頻信號(hào)可通過(guò)直接調(diào)頻法以及間接調(diào)頻法的方式產(chǎn)生，由于相比直接法來(lái)說(shuō)間接法成本、復(fù)雜度較高，因此本研究可采用直接調(diào)頻法，能夠利用調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行振蕩器頻率的控制，按照規(guī)律實(shí)現(xiàn)頻率線性變化，針對(duì)壓控振蕩器其與FM產(chǎn)生器功能一致，主要由于振動(dòng)頻率與輸入控制電壓成正比例關(guān)系，雙點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻主要是指在鎖相環(huán)參考頻率端以及VCO出入端加入預(yù)調(diào)制基帶信號(hào)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)頻率的一致性覆蓋，進(jìn)而降低低頻調(diào)制的影響，該方法目前在數(shù)字調(diào)制以及現(xiàn)代模擬中具有較廣的應(yīng)用。從雙點(diǎn)注入式寬帶FM鎖相調(diào)頻電路上來(lái)看，采用4FSK調(diào)制法基帶其可用于DMR集群通信系統(tǒng)中，通過(guò)數(shù)字以實(shí)現(xiàn)4電平映射，映射的位置可完成調(diào)頻。為確保調(diào)制器具有良好的通過(guò)性能，一般采用兩點(diǎn)注入式帶寬調(diào)制結(jié)構(gòu)，能夠利用G1和G2線性網(wǎng)絡(luò)以完成其他信號(hào)的傳送。

3 射頻模塊整體制作及調(diào)試

本研究對(duì)于PCB布局時(shí)可按照工作模塊進(jìn)行分區(qū)布局，RF板設(shè)計(jì)采用4層結(jié)構(gòu)，頂層則為RF信號(hào)線，完整地為第2層，電源是第3層，底層走數(shù)字信號(hào)線以及電源線。在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，電源地線處理難度高，由于D線電源不會(huì)引發(fā)周邊信號(hào)干擾以降低射頻板的性能，因此需要做好電源和地線的路線工作，盡可能降低干擾，確保射頻板性能。消除低線和電源線的噪音方法包括：在電源、地線之間可通過(guò)加寬電源，具有電容增加的方式，利用大面積銅線代替地線，在印制板中將空余位置與地線進(jìn)行連接作為地線來(lái)使用，或者將電源和多層板地線各占一層。在具體電路調(diào)試過(guò)程中，可借助常用測(cè)量設(shè)備，本研究可采用射頻分析儀、信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、示波器等設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的硬件調(diào)試。

4 測(cè)試板測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)接機(jī)構(gòu)版和社評(píng)版，可通過(guò)DATA端口將控制字符寫(xiě)入基帶板的MCU中，實(shí)現(xiàn)發(fā)射器頻點(diǎn)的有效控制，借助MOD端口進(jìn)行基帶語(yǔ)音信號(hào)的輸入，可以將由VCO構(gòu)成的設(shè)備型號(hào)準(zhǔn)確輸入到對(duì)應(yīng)的頻譜分析儀中以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)試。VCO信號(hào)測(cè)試包括壓控靈敏度，頻率可變范圍，RF輸出功率。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)射VCO起始頻率為395兆赫茲，改變VCO電壓之后其頻率可變范圍為395～449兆赫茲，該VCO壓控靈敏度為11.94兆赫茲。從輸出頻率來(lái)看，由于測(cè)試板采用一級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)，在處于7.5伏運(yùn)行電壓下，最大輸出功率為5瓦，基本能夠滿足系統(tǒng)要求的發(fā)射功率。針對(duì)鎖相環(huán)性能測(cè)試指標(biāo)，其具有較高精度，可通過(guò)射頻信號(hào)，雜播抑制鎖定時(shí)間，相位噪聲等多個(gè)指標(biāo)測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)，RF信號(hào)的精度較高，并且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，其誤差低于規(guī)定的2ppm，其是符合現(xiàn)代數(shù)字化通信需求的，并且鎖定頻率跨度較大，鎖定時(shí)間長(zhǎng)，但鎖定時(shí)間是滿足系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，因此可滿足雙工通信需求。

總而言之，本研究針對(duì)DMR集群通信系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，對(duì)射頻模塊從整體方案設(shè)計(jì)到繪制原理圖，PCB板制板和不同功能模塊測(cè)試、射頻板測(cè)試結(jié)果分析，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)的DMR數(shù)字端機(jī)射頻模塊具有良好的適應(yīng)性，其性能是符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求的。

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作者簡(jiǎn)介：張培宗（1986— ），男，漢族，福建惠安人，本科，工程師，研究方向：軍工通信設(shè)備。