趙云
摘要:基于實際應(yīng)用需求,采用超外差結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了一款 C 波段收發(fā)信機。收發(fā)信機采用異頻雙工模式工作,收發(fā)頻帶可互換,接收單元具有 60 dB 自動增益控制(AGC)動態(tài)范圍,并具有鏈路增益程序控制功能,發(fā)射功能模塊飽和輸出功率為20 W,飽和狀態(tài)下具有 18 dBc 雙音互調(diào)特性。設(shè)計方案經(jīng)樣機驗證,性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求,可為同類型產(chǎn)品設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:模塊化設(shè)計;異頻雙工;組合干擾;收發(fā)隔離;自動增益控制
中圖分類號:TN859 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1008-1739(2021)13-63-3
Design and Implementation of a C-band Transceiver
ZHAO Yun
( The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China)
Abstract: Based on practical application requirements,a type of C-band transceiver is designed with superheterodyne systemstructure. This transceiver works in duplex mode with interchangeable receiving and transmitting frequency bands. The receiver unit has60 dB AGC dynamic range, and has a remote programmable gain control function. The transmitter unit has 18 dBc two-toneintermodulation characteristic at saturated 20 W output power. The hardware circuit has been completed and the test results meet thesystem performance requirements. The proposed transceiver can provide valuable reference for design of similar products.
Keywords:modular design;duplex mode at different frequencies;combination interference;transceiver isolation;automatic gaincontrol
0 引言
隨著寬帶通信技術(shù)的發(fā)展與成熟,各種通信應(yīng)用對系統(tǒng)指標(biāo)提出了更高的要求,其中包括提高峰值數(shù)據(jù)速率、小區(qū)邊緣速率、頻譜利用率、抗多徑干擾及快速接入等。射頻收發(fā)模塊在傳統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上需要及時適應(yīng)這些系統(tǒng)需求,在線性性能、功耗及效率等指標(biāo)之間進(jìn)行折中設(shè)計。GaN 高功率器件的發(fā)展為發(fā)射模塊設(shè)計提供了解決方案。收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計需要綜合考慮各指標(biāo),尤其是收發(fā)隔離、變頻組合干擾抑制等,確保收發(fā)通道傳輸信號的有效可靠。
1 指標(biāo)設(shè)計
收發(fā)信機的常規(guī)設(shè)計指標(biāo)包括:工作頻段、帶寬、頻率步進(jìn)、噪聲系數(shù)、增益及發(fā)射功率等,本收發(fā)信機的具體指標(biāo)為:射頻工作頻段 BW1,BW2;中頻帶寬 20 MHz;接收機噪聲系數(shù)≤4 dB;發(fā)射雙音交調(diào)≥18 dBc@1MH 間距;接收通道增益≥110 dB;接收通道 AGC 動態(tài)范圍≥70 dBc;發(fā)射功率≥43dBm;頻率步進(jìn) 0.5 MHz,收發(fā)頻率可互換。
2 設(shè)計方案及系統(tǒng)性能指標(biāo)分析
系統(tǒng)采用超外差二次變頻結(jié)構(gòu),模塊化結(jié)構(gòu)電路設(shè)計主要包括接收單元、發(fā)射單元、時鐘單元、電源和控制單元、雙工器及同軸開關(guān)等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
本振電路集成到接收單元和發(fā)射單元,為通道上、下變頻提供本振驅(qū)動信號。為提高本振單元相位噪聲和頻率準(zhǔn)確性,采用恒溫晶振作為鎖相參考,同時優(yōu)化設(shè)計頻率綜合器環(huán)路電路設(shè)計。
接收單元和發(fā)射單元通過同軸開關(guān)與雙工器組合選擇收發(fā)頻率范圍。雙工器發(fā)射端口功率較大,發(fā)射信號經(jīng)雙工器后要保證低噪聲放大器不被泄漏信號堵塞,同時為避免發(fā)射端輸出的接收頻段噪聲高于接收信號導(dǎo)致接收信號被淹沒,設(shè)計雙工器的收發(fā)隔離度為 80 dB,同樣,同軸開關(guān)矩陣的隔離度設(shè)計為 80 dB。
發(fā)射單元射頻鏈路對變頻后的信號為線性放大,以滿足系統(tǒng)應(yīng)用對信號線性化指標(biāo)的要求,末級采用一個具有 40 W飽和功率輸出的 GaN 功率管完成功率信號輸出,保證信號經(jīng)過同軸開關(guān)和雙工器后功放輸出功率大于 20 W,同時滿足信號雙音交調(diào)大于 18 dBc 的指標(biāo)要求。要實現(xiàn)系統(tǒng)雜散抑制指標(biāo),首先要求本振輸出信號的頻譜純凈度,其次在混頻器輸出端增加濾波器,濾除接收單元和發(fā)射單元不同的混頻產(chǎn)物。
3 電路設(shè)計與實現(xiàn)
3.1 發(fā)射單元設(shè)計
發(fā)射單元電路由一次上變頻單元、二次上變頻單元、小信號驅(qū)動放大和功率放大單元組成。變頻后功率放大部分為寬帶放大,組件收發(fā)頻段共用,輸出雙工器收發(fā)頻段間抑制設(shè)計80 dBc,要保證發(fā)射通道落入接收通道的雜波低于 -137 dBm/Hz,中頻濾波器對落入發(fā)射通道的雜波抑制需達(dá)到 85 dB 以上,此指標(biāo)實現(xiàn)是發(fā)射通道設(shè)計成功的關(guān)鍵。發(fā)射通道一變頻本振采用定本振,頻率為 BW3 中,二變頻本振為變本振,頻率為BW4。發(fā)射通道頻率變換對接收通道產(chǎn)生的變頻組合干擾如表 1 和表 2 所示。
根據(jù)上述計算,組合干擾的階數(shù)在 5 次以上的影響較小,位于 2.03 GHz 的干擾對指標(biāo)實現(xiàn)影響最大,抑制指標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵是一變頻輸出濾波器選擇。為保證系統(tǒng)的交調(diào)指標(biāo),發(fā)射通道混頻器輸入號功率控制在 -5 dBm 左右。通道的增益分配如表 3 所示,輸入功率為 0 dBm,功率放大器選用國產(chǎn) GaN 功率放大器 CGH55015F25 實現(xiàn)。
3.2 接收通道設(shè)計
接收通道由限幅低噪放單元、一次下變頻單元、二次下變頻單元和中頻 AGC 單元組成,程控衰減器放置在低噪放單元之后,可在大信號輸入飽和時對信號幅度進(jìn)行衰減,保證通信質(zhì)量。限幅低噪放單元選用芯片模塊化封裝實現(xiàn)。發(fā)射單元經(jīng)雙工器進(jìn)入接收單元的信號電平約為 40 dBm,為達(dá)到良好的收發(fā)隔離,變頻單元需要對該射頻信號進(jìn)行有效濾除。二次下變頻單元包括濾頻器、濾波器及功分器等,變頻后信號一部分經(jīng) AGC 單元給基帶板,一部分給檢波器做 RSSI 指示。AGC 單元中有濾波器組,完成中頻寬窄帶切換。
接收通道雜波干擾主要由兩部分組成:一部分是進(jìn)入接收通道的高電平發(fā)射信號,一部分是接收單元本振組合干擾。經(jīng)計算,該部分信號與本振組合處的落入通帶的信號組合階次均在 7 次以上,該部分信號比較小。落入通帶外的雜波可通過混頻器后的鏡像抑制濾波器濾除,AGC 單元采用 AD 公司的VGA 芯片 ADL5330[3]和檢波器 AD8318[4]組合實現(xiàn)。接收通道增益分配如表 4 所示。
3.3 控制及接口設(shè)計
系統(tǒng)內(nèi)部及對外控制接口如表 5 所示??刂乒δ芗稍陔娫醇翱刂茊卧獌?nèi)部,通過 STM32F103[5]Cortex-M3 處理器實現(xiàn)。處理器通過 12C 接口實時接收上位機傳來的控制指令,并根據(jù)指令要求進(jìn)行動作,同時處理器實時監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài),并根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)信息實現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)功能。
4 樣品性能測試
對樣品加電進(jìn)行測試,收發(fā)單元相噪指標(biāo)測試結(jié)果如表 6所示。發(fā)射單元輸出標(biāo)稱功率時 1 MHz 間隔的雙音信號交調(diào)抑制指標(biāo)測試結(jié)果為 21 dBc。對接收單元動態(tài)進(jìn)行測試,AGC起控點為 -50 dBm,控制范圍為寬帶(25 MHz 信號帶寬)45 dB,窄帶(300 kHz)56 dB。
5 結(jié)束語
采用超外差結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了一款 C 波段收發(fā)信機射頻模塊,經(jīng)測試滿足設(shè)計指標(biāo)要求。本文詳細(xì)介紹了方案,并對設(shè)計關(guān)鍵點進(jìn)行了相關(guān)論述,可為類似設(shè)計提供一定的參考。該設(shè)計采用 GaN 器件實現(xiàn)功放單元,相對 GaAs 器件效率雖有改善,但整機效率仍舊偏低。為適應(yīng)現(xiàn)代寬帶通信技術(shù)發(fā)展,后續(xù)可引入功放預(yù)失真[6]技術(shù)以改善效率及系統(tǒng)線性。
參考文獻(xiàn)
[1] 彭岳峰.LTE-Advanced 系統(tǒng)中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2013.
[2] 李嘉.C 波段接收機關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.
[3] 傅熙,石玉,尉旭波.基于 ADL5330 的多模式可變增益控制電路設(shè)計[J].磁性材料及器件,2020,51(6):58-62.
[4] 賀欣.寬帶大動態(tài) AGC 電路設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2012,20(8):167-170.
[5] 張偉,李長春,王圣元,等.基于 STM32F103 的數(shù)字式電鍍電源并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2012,20(2):174-176.
[6] 張亮,白鐘元,李波.一種級聯(lián)多項式的功放預(yù)失真模型[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報,2019,24(2):46-50.