碼分多址車載射頻系統(tǒng)可行性研究

趙君偉

（1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 歐洲環(huán)線車載系統(tǒng)的射頻特點(diǎn)

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)（Balise Transmission System，BTS）是一種基于點(diǎn)式信息傳輸?shù)陌踩珎鬏斚到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)道旁設(shè)備或地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的安全信息傳輸。BTS包括應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）、車載天線單元（AU）、有源應(yīng)答器（Controlled Balise）和無源應(yīng)答器（Fixed Balise）、地面電子單元（LEU）等基本組成部分。和國內(nèi)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)相比較，歐洲環(huán)線車載設(shè)備同時(shí)還具備碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）信號(hào)通信功能，需要具有接收并解調(diào)解碼軌旁設(shè)備漏纜發(fā)出的CDMA信號(hào)的模塊，實(shí)現(xiàn)車-地通信，這是國內(nèi)BTM系統(tǒng)沒有的。為此需要增加CDMA信號(hào)接收功能模塊，CDMA體現(xiàn)在射頻性能上的特點(diǎn)是帶寬寬，具有峰均比，以及射頻通道具有良好的線性度。歐洲環(huán)線車-地通信示意如圖1所示。

圖1 歐洲環(huán)線車-地通信示意Fig.1 Schematic diagram of vehicle-ground communication of European loop

AL4為傳輸27.095 MHz的激活信號(hào)接口，SUBSET-044標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)其定義是按照SUBSET-036標(biāo)準(zhǔn)來處理。AL1是將上行的軌旁CDMA信號(hào)傳輸?shù)杰囕d設(shè)備的接口。歐洲環(huán)線CDMA車載射頻接收信號(hào)處理流程如圖2所示。

圖2 歐洲環(huán)線CDMA車載射頻接收信號(hào)處理流程Fig.2 Flow chart of European loop CDMA onboard RF receiving signal

2 歐洲環(huán)線CDMA車載射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

CDMA車載射頻系統(tǒng)模塊功能的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)之一，是高功率濾波器的設(shè)計(jì)開發(fā)。依據(jù)SUBSET-044標(biāo)準(zhǔn)和BTM接收系統(tǒng)鏈路計(jì)算，對(duì)高功率濾波器進(jìn)行指標(biāo)定義。天線的信號(hào)有13.5 MHz的CDMA小信號(hào)和27.095 MHz的應(yīng)答器激活信號(hào)，這個(gè)信號(hào)輸出功率為20 W，幅度很大。如果不對(duì)27.095 MHz激活信號(hào)抑制處理，直接通過低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA），放大器將承受不住發(fā)送板的高功率信號(hào)，器件將會(huì)損壞。同時(shí)，接收機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也會(huì)被27.095 MHz信號(hào)阻塞，CDMA信號(hào)不能正常解調(diào)解碼。因此必須對(duì)27.095 MHz信號(hào)進(jìn)行抑制處理，另外，還需考慮對(duì)來自應(yīng)答器信號(hào)4.5 MHz的抑制，防止4.5 MHz信號(hào)影響CDMA的解調(diào)解碼，高功率帶通濾波器要達(dá)到這個(gè)目的，保障后續(xù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能有效處理工作帶內(nèi)的CDMA信號(hào)。

該射頻系統(tǒng)模塊功能的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)之二是低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)。SUBSET-044標(biāo)準(zhǔn)定義接收CDMA的靈敏度是23 dBuA/m，用MFP（Specification of Magnetic Field Probe）探頭換算，0 dBm折合112 dBuA/m，折合后靈敏度是 -89 dBm。每赫茲的熱噪聲按照10×lg(K×T×B)來計(jì)算，其中，K是玻爾茲曼參數(shù)1.380 649×10-23J/K，T是溫度，B是帶寬。每赫茲的熱噪聲是-174 dBm，歐洲環(huán)線CDMA的帶寬是4.5 MHz，噪聲是-107.4 dBm，整個(gè)射頻接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)是8.09 dB，結(jié)合4.5 MHz帶內(nèi)熱噪聲，所需信號(hào)的最小幅度是-93.31 dB，與靈敏度 -89 dBm相比較，設(shè)計(jì)有4.31 dB的余量。

3 高功率濾波器的設(shè)計(jì)

1）高功率帶通濾波器主要指標(biāo)定義：根據(jù)SUBSET-044 (Issue 2.4.0) 標(biāo)準(zhǔn)的理解，帶通濾波器帶寬為4.5 MHz，考慮到后續(xù)解擴(kuò)處理，預(yù)留邊帶0.5 MHz，因此按照13.547 5±2.5 MHz定義，即11.05～16.05 MHz。

2）帶內(nèi)插損≤4 dB：信號(hào)通帶內(nèi)（11.05～16.05MHz）。

帶內(nèi)插損越小越好，如果帶內(nèi)插損過大，將直接影響射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，降低整機(jī)的接收靈敏度。SUBSET-044 標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)帶通濾波器的帶內(nèi)插損進(jìn)行定義，根據(jù)自身系統(tǒng)的鏈路進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合仿真數(shù)據(jù)給出最佳的帶內(nèi)插損值在4 dB之內(nèi)。

3）帶外抑制：對(duì)于27.095 MHz，要求有盡可能大的抑制，但如果抑制太大，將增加濾波器的階數(shù)，帶來的問題就是增加帶內(nèi)插損，根據(jù)射頻板鏈路預(yù)算，需要≥50 dB。

對(duì)于4.5 MHz，因4.5 MHz屬于應(yīng)答器發(fā)出的頻移鍵控（FSK）頻率，需要考慮應(yīng)答器在最大功率發(fā)射時(shí)其對(duì)CDMA信號(hào)的干擾，這個(gè)信號(hào)也需要濾除，根據(jù)鏈路計(jì)算，需要≥40 dB。

4）端口駐波具體指標(biāo)：端口駐波定義，在工作帶內(nèi)11.05 ～ 16.05 MHz的回波損耗，端口駐波≤-10 dB。

5）仿真設(shè)計(jì)：為保證通帶內(nèi)幅頻特性的平坦度，采用最大平坦型（巴特沃斯）結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)用8階LC結(jié)構(gòu)，采用巴特沃斯的目的是通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線具有最大限度平坦，沒有紋波，在阻帶則逐漸下降為0。1階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻6 dB，每10倍頻20 dB，8階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻48 dB。8階LC結(jié)構(gòu)能有效克服巴特沃斯濾波器較長(zhǎng)過渡帶的缺點(diǎn)，滿足在27.095 MHz和4.5 MHz抑制，達(dá)到本文設(shè)計(jì)的要求。

帶通濾波器仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 帶通濾波器仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of bandpass filter

通帶內(nèi)，11.05～16.05 MHz 插入損耗最大為-3.715 dB（m1）；

在27.09 MHz處的抑制為-62.033 dB（m3），在4.5 MHz處的抑制為-74.908 dB（m4）；

端口駐波最差處為-11.598 dB。

3.1 電路設(shè)計(jì)

高功率設(shè)計(jì)需要做冗余設(shè)計(jì)，以此來滿足高可靠性。為充分保證設(shè)計(jì)的余量能力，本設(shè)計(jì)不以BTM發(fā)送板輸出口做參考，而是以BTM的天線輸入口為參考點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。這樣能保證設(shè)計(jì)具有余量，電路中含有頻率為27.095 MHz、功率為20 W（+43 dBm）的信號(hào)?？紤]到線路損耗，線路損耗按照10 m電纜長(zhǎng)度0.5 dB衰減來考慮，再考慮到其他因素，比如在高、低溫等其他因素條件下預(yù)留0.5 dB余量。設(shè)計(jì)時(shí)需要按照在BTM發(fā)送板輸出端用44 dBm（25 W）以上的功率來計(jì)算CDMA接收機(jī)的功率承受能力，因此濾波器和電路接入的前端需要考慮能夠承受25 W以上的信號(hào)。電路按照50 Ω匹配設(shè)計(jì)，落在電容上的電壓至少36 V，通過電感的電流最小為0.71 A，考慮到電容和電感的可靠性工作，需要留有足夠的降額設(shè)計(jì)。電路的前三級(jí)電容390 pF、470 pF和100 pF的耐壓分別為600 V、600 V和500 V，前三級(jí)電感500 nH、390 nH和500 nH的電流分別為4.3 A、4.4 A和4.3 A。

來自天線的信號(hào)里不僅有13.5 MHz的CDMA小信號(hào)，還有27.095 MHz的激活信號(hào)，該信號(hào)幅度很大，功率為25 W。如果不對(duì)27.095 MHz激活信號(hào)抑制處理，直接通過LNA，放大器將承受不住25 W的高功率信號(hào)，器件損壞。同時(shí)，接收機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也會(huì)被27.095 MHz信號(hào)阻塞，CDMA信號(hào)不能正常解調(diào)解碼。因此必須對(duì)27.095 MHz信號(hào)進(jìn)行抑制處理，另外，還需考慮對(duì)來自應(yīng)答器信號(hào)4.5 MHz的抑制，防止4.5 MHz信號(hào)影響CDMA的解調(diào)解碼，高功率帶通濾波器達(dá)到這個(gè)目的，為保障后續(xù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能有效處理工作帶內(nèi)的CDMA信號(hào)。

高功率帶通濾波器和現(xiàn)有濾波器不同點(diǎn)：1）LC結(jié)構(gòu)形式不同，電感和電容的數(shù)量和數(shù)值都不一樣；2）通帶（工作頻帶）定義不一樣；3）抑制頻點(diǎn)和抑制量定義不一樣；4）濾波器承受功率不同。

J101是信號(hào)輸入連接器，用的是MCX，J102是測(cè)試點(diǎn)連接器，信號(hào)從J101輸入，從J102處測(cè)試，分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2。如果連接有大功率信號(hào)測(cè)試，需要在J102處先加至少30 dB衰減器測(cè)試是否有大功率信號(hào)泄漏。確定沒有后，再進(jìn)行測(cè)試，防止損壞儀表。

3.2 測(cè)試驗(yàn)證

單板生產(chǎn)加工后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，測(cè)試之前用校準(zhǔn)件將網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將單板的輸入和輸出分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1和端口2進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 高功率帶通濾波器測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test data of high power bandpass filter

3.3 高功率濾波器設(shè)計(jì)總結(jié)

從測(cè)試結(jié)果來看，11.05 ～16.05 MHz帶內(nèi)插損最大為-2.772 4 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-3.715 dB。帶外27.095 MHz處的抑制是-65.130 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-62.033 dB。4.5 MHz處的抑制是-89.140 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-74.908 dB。11.05～ 16.05 MHz工作帶內(nèi)的端口駐波小于-11.861 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-11.598 dB。

通過功率放大器輸出30 W功率，來驗(yàn)證濾波器的高功率性能，通過連續(xù)高功率24 h加電運(yùn)行，電路各項(xiàng)指標(biāo)正常，測(cè)試結(jié)果與圖5、6一致。

以上所有測(cè)試指標(biāo)均優(yōu)于定義需求。本設(shè)計(jì)已滿足并成功應(yīng)用于歐洲環(huán)線實(shí)際工程中。

4 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

4.1 兩種低噪聲放大器概述

LNA位于接收機(jī)鏈路的前端，在天線濾波器之后。其目的是放大由天線捕獲的非常微弱的信號(hào)，增大信號(hào)的信噪比，便于后續(xù)電路信號(hào)處理。為最大限度地提高接收機(jī)的靈敏度，LNA的噪聲值應(yīng)該盡可能地低。

根據(jù)如圖5所示的系統(tǒng)指標(biāo)分析，接收機(jī)采用兩種LNA組成的三級(jí)放大結(jié)構(gòu)?？梢圆捎脙煞NLNA型號(hào)的低噪放。這兩種LNA構(gòu)成的三級(jí)放大結(jié)構(gòu)可提供約60 dB的信號(hào)增益。

圖5 接收機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)分析Fig.5 Index analysis of receiver system

4.2 第一級(jí)及第三級(jí)LNA指標(biāo)分析

這種使用E-PHEMT技術(shù)制作的寬帶放大器（1 MHz～1 GHz），可在一個(gè)廣泛的頻率范圍并提供極高的動(dòng)態(tài)范圍和極低的噪聲系數(shù)。在工作頻段內(nèi)其典型噪聲系數(shù)約1 dB，其增益指標(biāo)約為24 dB，在線性度方面其輸出1 dB壓縮點(diǎn)可達(dá)22 dBm，因此可以用來做第一級(jí)和第三級(jí)放大器。此外，在較寬的頻率范圍內(nèi)具有良好的輸入和輸出回波損耗特性?？梢圆捎肧OT-89封裝，具有很好的熱性能。第一種低噪聲放大器主要性能指標(biāo)如圖6所示。

圖6 第一種低噪聲放大器主要性能指標(biāo)Fig.6 Main performance indexes of the first low noise amplifier

4.3 第一級(jí)及第三級(jí)LNA電路設(shè)計(jì)

第一級(jí)和第三級(jí)LNA的外圍電路主要參考典型應(yīng)用電路其輸入、輸出均為50 Ω寬帶匹配，因此其外圍電路只有簡(jiǎn)單的濾波和隔直，射頻輸出端口同時(shí)也是DC電源端口，該電路采用+5 V供電，工作電流最大162 mA。

4.4 第二級(jí)LNA指標(biāo)分析

采用InGaP HBT技術(shù)制作的寬帶微波放大器，在工作頻段內(nèi)其增益為12 dB，噪聲系數(shù)4.5 dB，輸出1 dB，壓縮點(diǎn)為18 dBm。因其噪聲系數(shù)較大，只能用來做第二級(jí)放大器，它可以彌補(bǔ)兩級(jí)放大器結(jié)構(gòu)的增益不足，而又不會(huì)過多地影響整個(gè)鏈路的噪聲和線性度性能。GALI-6+主要性能指標(biāo)如圖7所示。

圖7 GALI-6+主要性能指標(biāo)Fig.7 Main performance indexes of GALI-6+

4.5 第二級(jí)LNA電路設(shè)計(jì)

第二級(jí)LNA的外圍電路主要參考典型應(yīng)用電路其輸入、輸出均為50 Ω寬帶匹配，因此其外圍電路只有簡(jiǎn)單的濾波和隔直，射頻輸出端口同時(shí)也是DC電源端口，該電路采用+5 V供電，工作電流70 mA左右。

5 差分轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

差分轉(zhuǎn)換電路可以采用現(xiàn)有的器件，實(shí)現(xiàn)單端到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)變，但需要對(duì)其外圍電路進(jìn)行仿真優(yōu)化。差分轉(zhuǎn)換電路匹配仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 差分轉(zhuǎn)換電路匹配仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of differential conversion circuit matching

6 可行性分析結(jié)論

通過對(duì)高功率濾波器建模仿真和工程實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，濾波器對(duì)帶外27.095 MHz處有足夠的抑制，并且能夠承受住來自發(fā)送板的高功率能量，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。本文對(duì)低噪聲放大器的性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)論證，從系統(tǒng)的角度考慮低噪聲放大器噪聲系數(shù)和級(jí)聯(lián)增益，對(duì)相對(duì)適合的射頻器件技術(shù)進(jìn)行闡述。本文對(duì)差分轉(zhuǎn)換匹配電路進(jìn)行仿真優(yōu)化，保證射頻信號(hào)與后續(xù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的良好匹配，因此，CDMA車載射頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有可行性。