寬帶無線通信射頻收發前端設計*

程知群,張 勝,李 進,周鵬飛

(杭州電子科技大學射頻電路與系統教育部重點實驗室,杭州 310018)

近年來,寬帶無線通信由于其平均功率低、頻譜利用率高、保密性好及多徑分辨能力強,已成為全球通信領域研究的熱點技術[1]。

寬帶無線通信系統(BWCS)主要由 RF前端、數據調制解調、通信協議及相關算法部分組成,其中 RF前端是關鍵部分[2]。本文設計了一種 TDD模式無線寬帶射頻子系統,該系統可實現收發通道 RF前端的所有功能,能夠滿足 SC-FDE調制信號的收發要求,可應用于應急通信、指揮調度、無線監控、野外作業、海上作業等多媒體傳輸方案中,可實現點對點同頻雙工寬帶傳輸,且該系統中內置 GPS模塊,通過定位算法向中心站上傳位置信息,圖 1為 RF前端結構框圖。

圖1 RF前端結構框圖

1 RF系統設計要求

1.1 設計指標

BWCS工作頻段:325 MHz～355 MHz,信道帶寬為 8 MHz,根據 BWCS通信要求規劃 RF收發信道的性能指標,表 1為 RF收發信道設計指標要求。

表 1 RF收發信道指標

1.2 接收機 RF設計要求

接收機要求在引入失真最小的情況下,將接收到的信號轉化為有用信息。噪聲和干擾是影響接收機性能的無用信號,接收機輸出有用信號要大于無用信號一定的功率,即滿足最小信噪比要求[3]。

靈敏度是保證接收機輸出達到最小信噪比的最小輸入功率值,噪聲系數是整個接收機系統的噪聲值,噪聲系數和靈敏度之間的關系為:

其中 NF為噪聲系數,Pmin為靈敏度,SNRmin為最小信噪比。

動態范圍是接收機接收信號功率的最大值與最小值的差值,用公式表示為:

DR為動態范圍,Pmax為最大可接收信號功率值,Pmin為最小可接收信號功率值。

1.3 發射機 RF設計要求

發射機是將基帶信號變頻到射頻信號,并放大到足夠的功率發射,發射功率和鄰道抑制是發射機兩個重要的指標。

發射功率的設定和系統的通信距離、調制方式、最小信噪比、工作環境等有關,功率太小達不到最低信噪比的要求,功率太大將對鄰道產生干擾[4-5]。發射機的非線性特性將產生很多諧波成分,鄰道抑制是對諧波要求的指標,要求諧波功率小于有用信道功率一定值。

2 設計思路及實現方案

本文采用超外差模式實現收發機 RF前端,接收與發射采用 TDD模式切換,通過兩次變頻達到所需頻段,收發射頻信號頻段為 325MHz～355MHz,信道帶寬 8 MHz,中頻為 10 MHz。

2.1 PLL設計

射頻本振采用 ADI公司的 ADF4360系列產品,該產品片內集成 VCO,且具有較低的相位噪聲,圖 2為 ADF4360鎖相環電路圖,電路中采用高穩定性的晶振,可以利用晶振諧波實現二次混頻本振信號。

圖 2 ADF4360鎖相環電路圖

2.2 收發信道設計

接收信道設計需要保證噪聲、增益、靈敏度、臨道抑制滿足系統要求。接收信道噪聲級聯計算公式為:

其中 F為總噪聲系數;F1…Fn為各級噪聲系數;G1…Gn-1為各級額定功率增益。

根據噪聲級聯公式可知,信道噪聲主要決定于系統前端,為了使接收機的總噪聲系數小,要求前級的噪聲系數小、增益高。表 2為接收信道各級器件表。

表 2 接收信道選用器件表

發射信道采用高線性的混頻器和放大器達到高線性度,采用數控衰減器調整增益范圍,在實際應用中,為達到遠距離發射,可以外接大功率放大器。表3為發射信道各級器件表。

表 3 發射信道選用器件表

3 測試結果

圖 3為整個射頻子系統 PCB版圖,面積為 110 mm×70mm。

圖 3 射頻子系統PCB版圖

3.1 鎖相環測試

通過給鎖相環 ADF4360提供 40MHz的時鐘信號,輸入頻率控制字,鎖定本振頻率為 411 MHz,測得此時相位噪聲優于 -100 dBc/Hz@400 kHz,滿足系統本振設計要求。

3.2 接收信道測試

接收機輸入頻率為 341 MHz,帶寬 8 MHz的SC-FDE信號。表 4為接收信道測試結果。

表 4 接收信道測試結果

從表 4可以看出:接收機的靈敏度 Pmin為 -94 dBm,接收增益 Gain為 73 dB,AGC的增益為 102 dB,測試結果表明接收機各項指標達到系統設計要求;只有靈敏度比設計要求指標差 1 dB。經分析和調試,將接收信道屏蔽罩進行合理設計,靈敏度得到改善,滿足了設計要求。

3.3 發射信道測試

發射中頻輸入為頻率 10 MHz,帶寬 8 MHz的SC-FDE信號。表 5為發射信道測試結果。

從表 5可以看出:發射增益 Gain為 26 dB,ALC增益為 31 dB,均達到系統設計指標要求;ACPR比設計要求稍差些。經分析,可以將第一次混頻的本振信號功率增大些,這樣可以降低混頻交調功率,提高系統 ACPR。

表 5 發射信道測試結果

4 結論

本文成功研制出一種應用于 TDD模式的無線寬帶通信射頻子系統。通過對系統中個電路的優化設計,選擇了滿足系統性能指標的低成本元件。減低了系統成本,提高了性價比。研制的電路已經在系統中得到實際的應用。

[1]通信學報專輯責任編委組.超寬帶無線電技術[J].通信學報,2005,26(10):2-6.

[2]Razavi B.RF Microelectronics[M].New York,USA:Prentice Hall,Inc.,1998.

[3]Zhu Hongbing,Hong Wei,Tian Ling.RF subsystem for UWB communication systems[C]//2005 Asia2 Pacific Microwave Conference Proceedings.2005,5:3138-3140.

[4]唐章勛,申敏.基于 RF的短程無線通信系統設計[J].通信技術,2007,8(40):62-63.

[5]田玲,朱紅兵,洪偉.超寬帶射頻接收機的研制[J].電子學報,2007,10:1838-1842.

程知群(1964-),男,教授,研究生導師,安徽巢湖人,研究方向為射頻電路設計與系統集成,zhiqun@hdu.edu.cn;

張 勝(1985-),男,碩士研究生,江蘇鹽城人,研究方向為射頻集成電路設計。