鏈路復用的跳頻收發機射頻前端設計

黃 磊，余 平，鮑景富，袁 田

（電子科技大學a.電子工程學院；b.抗干擾國家重點實驗室，四川 成都 611731）

0 引文

跳頻通信電臺在軍事領域通信系統中占不可或缺的地位，受到越來越多的關注而成為研究熱點[1]。在跳頻電臺中，收發信機射頻前端是關鍵部件，它的優劣直接影響到整體系統的通信質量[2]。

便攜式跳頻電臺作為一種移動通信設備[3]，主要實現部隊和指揮系統之間快速交換信息，從而大幅度提高作戰部隊的反應能力[4]。由于跳頻電臺主要是為了提高通信系統的抗干擾能力[5]，因此收發信機射頻前端處理有用信號和抑制干擾信號的能力是關鍵，應當具有體積小、功耗小、重量輕等特點。

如果射頻前端采用收發鏈路分開的模式，為了節省能耗，那么在發射狀態時，需要關閉接收鏈路；在接收狀態時，需要關閉發射鏈路[6]。然而，采用電源開關來關斷不工作鏈路的供電，該方式存在以下兩個問題：①電源開關并不能完全關斷鏈路供電，只是使輸出電壓處于低電平模式，仍存在一定的能耗；②電源開關還需要一個控制信號來實現開關功能。為此，設計了一種工作于時分雙工模式（TDD）下的收發鏈路復用的跳頻收發信機射頻前端，將收發鏈路合并為一條鏈路，不僅降低了功耗，而且減小了收發信機射頻前端體積。

1 射頻鏈路的設計

無線收發信機射頻前端分為接收機和發射機兩部分。發射機的射頻前端的主要功能是上變頻，功率放大和濾波[7]。變頻采用一次或者多次變頻，可根據鏈路對指標的要求而定[8]。由于設計中輸入70 MHz中頻信號和輸出為110～512 MHz的射頻信號相隔較近，如果采用一次上變頻的話，那么輸出端的雜散、本振泄露、鏡像信號、諧波等干擾信號可能處于通頻帶內，無法濾除。如果采用三次或者多次變頻，那么鏈路成本較高，體積較大，功耗較高。綜合以上因素，該射頻前端采用二次變頻技術。接收機的作用主要是有選擇的放大空中的微弱電磁信號，并恢復有用信號。目前，接收機主要有零中頻，超外差和數字下變頻三種結構。超外差接收機是將接收到的射頻信號和本振信號進行混頻，通過性能較好的濾波器取出有用信號。可根據指標要求，而選擇相應的混頻次數。超外差接收機結構簡單，容易實現，因此可作為設計中選定方案。便攜式跳頻電臺的接收和發射處于不同的時間。為了節約電臺的能耗，將接收和發射鏈路采用同一鏈路，進行分時復用，具體結構如圖1所示。

圖1 收發信機原理框

當鏈路處于發射時，DAC輸入70 MHz中頻信號，與第一級本振信號進行混頻，得到高頻率信號。然后選用相應的中頻濾波器濾除干擾信號，再使用中頻放大器放大信號功率。進而將處理后的信號，與第二級本振信號進行混頻得到110～512 MHz信號，然后進行放大和濾波等，最后由In_out端將信號發射出去。

當鏈路處于接收時，In_out端接收到 110～512 MHz信號，經過功率放大，再與第一級本振信號進行混頻，得到和發射中間頻率相同的信號。該信號在經過和發射相同的處理后，再與第二級本振信號混頻，得到70 MHz中頻信號。然后經過放大和濾波后，將該信號通過IFout端輸入到基帶。

由于跳頻電臺對收發信機的抗干擾性能要求較高，因此收發鏈路要滿足帶內波動小、本振泄露小、鏡像抑制高和雜散低。帶內波動和其余幾個指標是矛盾的，因為在阻抗匹配電路中，帶內波動是級聯惡化的。也就是說，鏈路中芯片級數越多，帶內波動越差。其余的指標則是需要在鏈路中加入濾波器進行抑制的。如果這些指標要抑制到很低，那么一般需要兩級甚至多級濾波器。綜合各個指標考慮，選擇將中間級頻率選為較高的頻點，使得遠離收發信機的工作頻段。這樣，干擾信號影響較小。

混頻器是產生雜散、本振泄露和鏡像干擾信號的器件。其實現頻譜搬移的理論模型可描述為：

其中 ALOcosωLOt為本振信號，ALO為本振信號的振幅，ωLO為本振信號的頻率；AIFcosωIFt為輸入中頻信號，AIF為中頻信號的振幅，ωIF為中頻信號的頻率。由公式可以看出，如果選定ωLO-ωIF為輸出射頻信號，那么 ωLO+ωIF則是鏡像信號，且兩者信號幅度均是。此外，還有本振信號和中頻信號泄露到射頻信號輸出端，兩泄露信號幅度根據混頻器輸入輸出管腳的隔離度而定。然而，本振信號和中頻信號都有多次諧波，這些分量可以組合出很多雜散信號。這些信號都需要中頻濾波器來濾除。

由于設計要求處理帶寬達到60 MHz，因此中頻濾波器的3 dB帶寬需要大于等于60 MHz。由于發射時，第一級本振信號和混頻后的信號相差70 MHz，因此該濾波器的矩形系數要好。也就是說選用的濾波器在60 MHz帶寬內的波動要小，帶外抑制要高。設計中可根據要求，采用多級濾波器級聯。

一般情況下，收發信機需要考慮收發隔離度。當鏈路工作在發射狀態時，發射信號通過末級開關耦合到接收輸出端。當鏈路工作在接收狀態時，接收信號通過兩級開關耦合到輸入端（發射輸出端）。因此設計中開關的隔離度很重要。

2 跳頻的實現

設計中選用的本振是 HITTITE公司的集成VCO小數分頻鎖相環HMC830。其VCO產生的頻率為1.5～3 GHz，然后經過2到62位分頻器將輸出頻率擴展到25 MHz～3 GHz。HMC830的相噪也很好。在訊泰（HITTITE）公司給出的HMC830相噪圖中，輸出頻率為2.5 GHz，環路帶寬取74 kHz時，相噪最差，大概是-104dBc/Hz@10kHz。

圖2 HMC830時域仿真

利用 Matlab中嵌入的 HITTITE公司提供的HMC830仿真軟件，設置起始頻率為760 MHz，頻率跳變后的頻率為1 GHz，環路帶寬為90 kHz，相位裕度為 45°。經過時域仿真得到，可知 HMC830的鎖定時間小于50 us，完全能實現電臺的快速跳頻要求。時域仿真結果如圖2所示。

HMC830一般通過SCK，SDI和SEN以總線的形式輸入外部控制信號。其中SCK為時鐘信號，為上升沿觸發。當SCK處于上升沿，SEN為寫使能，SDI為高電平時，該本振開始寫入外部控制信號。SDI先寫入8位地址，再寫入24位數據。LD_SDO為多功能管腳，一般定義為鎖定檢測輸出。當LD_SDO輸出高電平，則表示該本振已經鎖定。

3 測試結果與結論分析

設計最后還對各項指標進行了測試：信號源輸入相應頻率和功率的信號，頻譜儀接收射頻板輸出信號。圖3測試的是最高頻點512 MHz偏離10 kHz處的相噪。從圖中看出，相噪為-98.4dBc/Hz@ 10kHz。

圖3 512 MHz處偏離10 kHz的相噪

發射輸出帶內波動為2.99 dB，測試結果如圖4所示。影響該指標的器件主要是工作帶寬窄的器件。整個鏈路中，只有中頻濾波器和末級濾波器是窄帶器件。影響該指標的主要看兩種濾波器的性能。發射的雜散、諧波、本振泄露和鏡像抑制等指標都優于-50 dBc。接收的雜散、本振泄露和鏡像抑制等指標都優于-50 dBc。測試結果如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖4 發射帶內波動

圖5 發射和接收鏈路頻譜

4 結語

根據便攜式跳頻電臺的要求，設計了一種鏈路復用的跳頻收發信機射頻前端，將收發鏈路合并為一條鏈路，能有效處理有用信號和抑制干擾信號。為了實現跳頻電臺抗敵方干擾信號的性能，選用了高性能本振實現其高速跳頻功能。從對各個指標的測試與分析結果看出，整個設計達到了便攜式跳頻電臺系統的要求。由于選用同一條鏈路實現收發信號，其隔離度還需進一步改善。從整個鏈路看，可考慮在IFout和發射濾波段加一級開關，將開關輸出端接地。當發射時，將IFout端接地；當接收時，將發射濾波段接地，可以增大鏈路的隔離度。

[1] 鄧瀛琪.跳頻電臺關鍵模塊研究[D].西安：西安電子科技大學,2006.

[2] 王楓.UHF頻段無線收發信機前端設計[J].電子設計工程,2011,19(01): 91-95.

[3] 李永軍.適用于教學的跳頻通信系統仿真設計[J].通信技術,2011,44(04): 62-64.

[4] 趙巖.基于 Simulink的跳頻通信系統抗干擾性能分析[J].通信技術,2010,43(11):15-18.

[5] 胡文江.擴頻技術及應用[J].信息安全與通信保密,2006(08):168-170.

[6] 郗丹.雙模手機射頻前端技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[7] 苑春雷.C波段收發信機的研制[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[8] 趙春轅.小型無線收發信機的設計[D].成都:電子科技大學,2007.