PDT車載終端信道機(jī)射頻關(guān)鍵技術(shù)研究

潘冀寧 孫慧洋 公安部第一研究所

一、引言

信道機(jī)（Radio System Transeiver）是指在無線通信系統(tǒng)中，將基帶信號轉(zhuǎn)變成射頻信號的發(fā)射機(jī)和從天饋線系統(tǒng)接收射頻信號并復(fù)原為基帶信號的接收機(jī)的組合設(shè)備。

PDT標(biāo)準(zhǔn)則是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的集群通信標(biāo)準(zhǔn)，它著眼于未來專業(yè)數(shù)字對講技術(shù)發(fā)展方向，可滿足多數(shù)集群通信行業(yè)用戶的需求，擁有性價比高、安全保密、大區(qū)制、可擴(kuò)展和向后兼容等特點。

PDT車載終端信道機(jī)的大體結(jié)構(gòu)如圖1所示，對于PDT車載終端而言，信道機(jī)設(shè)計的好壞直接決定了它的性能指標(biāo)，是整個終端設(shè)備設(shè)計中的重中之重，決定了終端設(shè)備是否能夠PDT標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在《警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)-總體技術(shù)規(guī)范》中，規(guī)定了一系列評判PDT車載終端是否符合PDT標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)，包括最大輸出功率、功率變化容限、調(diào)試頻偏誤差、發(fā)射誤碼率、占用帶寬、頻率誤差、發(fā)射上升下降時間、調(diào)制鄰道功率、瞬態(tài)臨道功率、發(fā)射機(jī)雜散、靜態(tài)靈敏度、互調(diào)響應(yīng)抗擾性、阻塞、雜散響應(yīng)抗擾性、共信道抑制、鄰道選擇性、接收機(jī)雜散等。影響PDT車載終端信道機(jī)射頻性能指標(biāo)的主要因素包括發(fā)射機(jī)的設(shè)計、接收機(jī)的設(shè)計、頻率合成器的設(shè)計以及時序控制軟件的設(shè)計。

本文通過總結(jié)作者在PDT車載終端信道機(jī)設(shè)計過程中的經(jīng)驗，分析設(shè)計中的一些關(guān)鍵問題。

二、發(fā)射機(jī)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)射機(jī)主要負(fù)責(zé)將基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號并送至天饋系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射。在發(fā)射機(jī)設(shè)計中，功率放大、功率控制和保護(hù)電路、低通濾波器和功率檢測等關(guān)鍵設(shè)計將直接影響其性能指標(biāo)。

（一）功率放大

功放電路通過4級放大將頻率合成器輸出的已調(diào)制信號放大到輸出要求的功率約44dBm，再經(jīng)過由多階切比雪夫濾波器構(gòu)成的諧波抑制器送到天線進(jìn)行發(fā)射，如圖2所示。

1. 輸入級（增益固定）

VCO給出的經(jīng)調(diào)制的信號幅度大約為3dBm左右，經(jīng)過6dB∏型衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入固定增益為16dB的緩沖放大。

2. 預(yù)推動級（增益可控）

由緩沖放大提供的約13dBm的信號進(jìn)入低功率放大器，其增益可以由在MCU的控制下進(jìn)行調(diào)整，并配有輸入匹配電路。

3. 推動級（增益可控）

推動級的增益由自動增益控制（APC）信號控制其柵極電壓來動態(tài)調(diào)整，輸出給末級功放。

4. 末級（增益固定）

末級功放為固定增益為10dB的高功率放大器，由13.8V車臺外接供電電源直接供電，由于功放由雙MOS組成，所以在其前后分別有分叉和合并匹配電路。

（二）功率控制和保護(hù)電路

1. 功率控制

發(fā)射末級功放靜態(tài)偏置調(diào)節(jié)(Final RF PA Bias)信號對發(fā)射功率進(jìn)行初步調(diào)整，使末級功放在其正常的范圍內(nèi)工作；發(fā)射功率細(xì)調(diào)(Transmit High/Low Power)信號根據(jù)功率模式設(shè)置，輸入電壓高低，輸出天線匹配程度以及整機(jī)工作溫度等來確定輸出功率的大小，它是通過控制功放的推動級來決定輸出功率的大小。

2. 保護(hù)電路

數(shù)字和模擬模式下功率的穩(wěn)定性、過熱保護(hù)、失配保護(hù)等主要是通過APC來實現(xiàn)。由于高駐波可能會引起功放自激，而自激存在瞬時燒管的特點，因此采用硬件對功放進(jìn)行實時保護(hù)，減少反饋時間；而溫度保護(hù)通過軟件實現(xiàn)，通過溫度檢測信號的輸出電壓來檢測發(fā)射機(jī)的溫度，當(dāng)溫度上升到設(shè)定溫度后，軟件設(shè)置輸出功率為低功率5W，保證在極限條件下使用仍能保持一定的通信距離。

（三）低通濾波器

抑制諧波的低通濾波器是由集中參數(shù)電感和電容構(gòu)成的，通過這個濾波器可以在一定的帶內(nèi)波動性能條件下，盡可能地提高對阻帶內(nèi)諧波雜散信號的衰減作用。

（四）功率檢測

功率檢測電路采用定向耦合器來實現(xiàn)對前向功率和反向功率的檢測。前向功率和反向功率分別耦合到一個二極管，之后這個隨功率而變化的直流電壓被送到功率控制電路，由其輸出電壓VGG控制預(yù)推動和推動級的柵極，調(diào)整輸出功率的大小。這個功率檢查耦合電路可以調(diào)整輸出功率以及檢測電壓駐波比（VSWR）。

三、接收機(jī)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

接收機(jī)主要負(fù)責(zé)將天饋系統(tǒng)接收到的射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘柌⑺椭粱鶐酒M(jìn)行處理。接收機(jī)的設(shè)計分為前端和后端兩部分。

（一）接收前端設(shè)計

前端通過混頻將射頻信號變?yōu)橹蓄l信號，其中的帶通濾波器，中頻放大器，混頻器和中頻濾波器的設(shè)計決定了它的性能指標(biāo)。

1. 帶通濾波器（BPF）

低噪聲放大器前后都配有帶通濾波器，這些帶通濾波器可以自動調(diào)諧在接收頻率上，其衰減大概在0.8dB。

2. 低噪聲放大器（LNA）

低噪聲放大器會對輸入信號給出15dB的增益。

3. 混頻器（Mixer）

這里采用平衡混頻器（DBM），它具有較好的動態(tài)范圍和隔離特性。接收信號經(jīng)過放大器放大之后，和來自VCO并經(jīng)過放大器放大至10dBm左右的第一本振信號一起送到混頻器中進(jìn)行第一次混頻，產(chǎn)生46.35MHz的第一中頻。

4. 中頻濾波器

這里采用晶體濾波器，濾除帶寬外的信號和雜散信號。

5. 中頻放大器

對經(jīng)過濾波的第一中頻信號進(jìn)行兩級放大。

（二）接收后端設(shè)計

接收機(jī)后端為中頻處理，將中頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘枺浜诵氖侵蓄l處理芯片。

從接收機(jī)前端輸出的第一中頻信號(46.35MHz)進(jìn)入中頻處理芯片，和第二本振信號（45.9MHz）進(jìn)行混頻產(chǎn)生450kHz的第二中頻信號。第二中頻信號通過450k的陶瓷濾波器回送到中頻處理芯片。這里根據(jù)不同的信道帶寬，會選擇不同的陶瓷濾波器。

在數(shù)字模式下，經(jīng)過陶瓷濾波器的第二中頻信號從中頻處理芯片取出，在經(jīng)過放大后，送給基帶處理芯片進(jìn)行處理。

在模擬模式下，450KHz的第二中頻經(jīng)過鑒頻器鑒頻，從中頻處理芯片輸出音頻信號，經(jīng)過帶通濾波器取出12kHz左右的噪聲，經(jīng)過放大器放大并整流后，產(chǎn)生一個和噪聲成比例的直流電壓，CPU根據(jù)這個直流電壓對模擬模式下的靜噪進(jìn)行處理。

四、頻率合成器設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

頻率合成器為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別提供適當(dāng)頻率的信號，是整個信道機(jī)的核心部件。為了兼顧頻率合成器的相位噪聲和鎖定時間，PDT車載終端信道機(jī)的接收和發(fā)射部分采用完全獨立的頻率合成器，這樣可以優(yōu)化環(huán)路濾波器，以保證在接收端有很低的相位噪聲，而在發(fā)射端有較低的相位噪聲和較快速的鎖定時間。

（一）參考振蕩器

參考振蕩器是一個溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO），分別給接收鎖相環(huán)芯片，發(fā)射鎖相環(huán)芯片以及接收機(jī)的中頻處理芯片提供穩(wěn)定的15.3MHz本振信號。

（二）鎖相環(huán)（PLL）

接收和發(fā)射鎖相環(huán)均采用小數(shù)分頻鎖相環(huán)芯片。

參考振蕩器信號輸入鎖相環(huán)后，經(jīng)過分頻產(chǎn)生比相頻率，壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率輸入鎖相環(huán)并分頻后，與比相頻率進(jìn)行鑒相，并輸出CV電壓。CV電壓通過環(huán)路濾波器送回到壓控振蕩器，控制壓控振蕩器內(nèi)部的變?nèi)荻O管，調(diào)整其輸出頻率。

（三）壓控振蕩器（VCO）

壓控振蕩器的性能直接影響著整個頻率合成器的性能，因此我們采用在發(fā)送端和接收端分別采用雙VCO（高頻段和低頻段分別使用獨立的VCO）共計4個獨立的VCO的設(shè)計，從而保證VCO擁有良好的指標(biāo)。

（四）BUFFER電路

根據(jù)發(fā)射和接收兩通路的要求，需要對VCO的輸出信號經(jīng)過兩級放大，達(dá)到一定的輸出幅度，幅度的平坦度在1dB以內(nèi)。

BUFFER電路主要需要注意以下幾點：

1. 要兼顧對二次諧波的抑制。

2. 要消除自激。

3. 要關(guān)注相位噪聲的大小。

4. 高溫和低溫情況下幅度變化在3dB以內(nèi)。

五、時序控制設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

PDT車載終端的發(fā)射和接收都是由一系列的硬件電路在時序控制軟件的控制下，嚴(yán)格按照PDT時隙的要求配合工作而完成的。參與時隙控制的主要控制信號包括PDT時隙中斷、天線開關(guān)、偏置、推動級功放控制和鎖相環(huán)數(shù)據(jù)。

（一）PDT時隙

PDT時隙是整個時隙控制的基準(zhǔn)和參考對象。PDT時隙為雙時隙各30ms，基帶芯片通過中斷信號提示CPU時隙1和時隙2到來。CPU根據(jù)該中斷信號控制其他相關(guān)電路的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)符合PDT標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射和接收。

（二）天線開關(guān)（ANT_EN）

天線開關(guān)主要通過2個三極管和2個二極管來實現(xiàn)。PDT擁有兩個時隙，這里時隙1作為發(fā)射時隙，時隙2為接收時隙。天線開關(guān)隨著時隙的切換而開閉，從而實現(xiàn)發(fā)送和接收的切換。時隙1到來時CPU收到發(fā)射中斷，設(shè)置ANT_EN信號為高電平，兩個三極管和兩個二極管導(dǎo)通，發(fā)射通路打開，信號通過濾波器送至天線端口發(fā)射；時隙2到來時CPU收到接收中斷，設(shè)置ANT_EN信號為低電平，兩個三極管和兩個二極管不導(dǎo)通，接收通路打開，接收信號通過低通濾波器送至接收放大電路。

（三）偏置（BIAS）

偏置信號BIAS主要負(fù)責(zé)末級功放靜態(tài)偏置的調(diào)節(jié)，所以跟隨時隙中斷開啟和關(guān)閉。時隙1到來時CPU收到發(fā)射中斷，查詢電調(diào)參數(shù)表并送發(fā)射偏置值至DA芯片，之后使能DA芯片輸出給出預(yù)設(shè)偏置電壓；時隙2到來時CPU收到接收中斷，查詢電調(diào)參數(shù)表并送接收偏置值至DA芯片，之后使能DA芯片輸出給出預(yù)設(shè)偏置電壓。

（四）推動級功放

推動級功放的功率上升下降曲線，不僅要嚴(yán)格配合PDT時隙的時序，還要控制曲線的形狀，做到既有符合要求的上升/下降時間，又有較好的臨道功率比指標(biāo)。推動級功放的功率曲線也是由CPU控制DA芯片配合時隙中斷實現(xiàn)的。

（五）鎖相環(huán)數(shù)據(jù)

對于收發(fā)共用一個鎖相環(huán)的設(shè)計而言，需要在首發(fā)時隙切換時重置鎖相環(huán)數(shù)據(jù)，鎖相環(huán)及VCO電路需要一定時間才能達(dá)到穩(wěn)定的頻率輸出。而為了得到較好的射頻指標(biāo)，本設(shè)計中接收和發(fā)射分別使用獨立的鎖相環(huán)，鎖相環(huán)數(shù)據(jù)并不跟著時隙送出，而是只在一次通話的開始和結(jié)束后對發(fā)射鎖相環(huán)進(jìn)行設(shè)置，在通話的過程中不需要在每個收發(fā)時隙對鎖相環(huán)進(jìn)行設(shè)置，避免了頻繁發(fā)送鎖相環(huán)數(shù)據(jù)對信道機(jī)指標(biāo)的影響。

六、結(jié)語

本文所介紹的幾項關(guān)鍵技術(shù)已在國家級項目“PDT/LTE多模集群通信終端”的樣機(jī)研制過程中得到了應(yīng)用。該樣機(jī)已經(jīng)在公安部檢測中心按照《警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)射頻設(shè)備技術(shù)要求和測試方法》中射頻指標(biāo)的測試要求通過了檢測，技術(shù)指標(biāo)全部符合規(guī)定。

隨著數(shù)字集群和PDT標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，PDT車載終端有了越來越廣泛的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景，本文對PDT車載終端信道機(jī)的射頻設(shè)計中的幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了解決方案，希望能對PDT終端的發(fā)展有所助益。

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