基于VPX的多模多頻段微波收發組件設計與實現

吳華堯

摘 要：微波收發組件是通信系統中的重要部分，本文設計了一種基于VPX技術的多模多頻段微波收發組件，采用了VPX標準總線結構，實現了其通用化和標準化。組件用于多種模式多種頻段的軟件無線電通信系統，系統用于無線傳輸高清視頻圖像。該組件接收噪聲系數：≤1.8 dB，ACPR：≤-35 dBc，發射功率以及各次諧波抑制等均達到指標要求，滿足通信系統的實際要求。

關鍵詞：VPX；多頻段；收發組件；軟件無線電

VPX總線是在VME總線基礎上提出的新一代高速串行總線標準，可以適應結構要求復雜、數據速率高的應用環境，而且可以滿足多核多CPU（中央處理器）計算，以及 DSP（Digital Signal Processing，數字信號處理）數據處理，結合高性能FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程陣列邏輯）），是國防及航空領域應用中模塊化處理平臺的發展趨勢[1]。基于此，本文設計了一種多模多頻段微波收發組件，用于多種模式多種頻段的寬帶軟件無線電通信系統。接收噪聲系數和發射功率等均達到指標，滿足通信系統的工作要求。

1 微波收發組件的設計與實現

1.1 組件方案設計

微波收發組件擁有獨立的收發通道，收通道對射頻信號進行濾波、混頻、放大、模數轉換[2]；發通道對數字I/Q數據進行數模轉換，對射頻信號進行濾波、放大。微波收發組件通過SRIO（Serial Rapid I/O，串行高速I/O）接口與圖像信號處理組件進行I/Q數據交互，通過SMA（SubMiniature version A）接口與天線和多工器進行射頻信號交互。

1.2 指標要求

工作頻率：300-400 MHz，1 400-1 500 MHz，1 700-1 800 MHz。

自動增益調節范圍≥60 dB（不包含AD9371內部的增益調節）。

噪聲系數：≤1.8 dB。

抗燒毀能力：37 dBm功率輸入5分鐘時，接收機不損壞。

輸出平均功率：≥8 W（300-400 MHz），≥4 W（1 400-1 500 MHz），≥1 W（1 700-1 800 MHz）。

ACPR：≤-35 dBc（中心頻率10 MHz偏移，8 MHz信號帶寬）。

二次諧波抑制：≥40 dBc；三至五次諧波抑制：≥70 dBc；其他諧波：≥60 dBc。

收發切換時間：≤3.0 μs。

1.3 組件硬件設計

微波收發組件由大信號板和小信號板組成，通過板間連接器垂直相接，板間有金屬屏蔽腔體隔離。依照VPX標準，采用3U標準的VPX板卡架構對該單元進行設計，如圖1所示。

在發射模式下，小信號板主要用于將SRIO輸入的波形數據進行數字模擬變換，變換后的零中頻信號直接通過正交上變頻輸出到對應的射頻頻段，再通過射頻前端對其進行功率放大后輸出。

在接收模式下，外部輸出的小信號，先經過大信號板的低噪放進行放大，從而確保收到的小信號的信噪比在后級相關處理后不至于進一步降低。放大后的信號進入小信號板，分別經過下變頻，中頻濾波后進入AD器件進行零中頻下變頻并AD采樣。采樣的數據通過SRIO通道送入圖像信號處理組件進行解調分析。

1.3.1 小信號板設計

小信號板原理框圖如圖2所示，總體分為發射和接收通路。發射采用零中頻方案。SRIO輸入的波形數據經過FPGA轉換后，再采用AD9371進行數模變換后通過巴倫和開關進入驅動放大器中，信號放大后進入濾波器，最后通過單刀四擲開關經過垂直互聯射頻口進入大信號板。

接收采用超外差接收機電路方案，通過兩次變頻將接收到的300-400 MHz和1 400-1 800 MHz射頻信號變到零中頻基帶信號（I&Q信號）進行后續處理。300-400 MHz射頻信號通過低噪放、數控可調衰減器、調諧濾波、放大進入第一混頻器RFFC2071，該混頻器本振頻率1 130-1 230 MHz掃頻，信號頻率變為830 MHz固定中頻（IF）；再通過中頻濾波放大，進入正交解調器AD9371，該正交解調器本振頻率為830 MHz，得到零中頻基帶信號（I&Q信號），通過開關控制實現不同中頻帶寬的輸出。通過耦合器和檢波器實現通道功率電平的檢測，完成自動增益的控制。

同理地，高頻1 400-1 800 MHz射頻信號通過低噪放放大后進入數控可調衰減器，數控可調衰減器可以根據信號大小調節信號強度，增大了接收路動態范圍。然后信號再通過調諧濾波、放大進入第一混頻器RFFC2071，該混頻器本振頻率2 230-2 630 MHz掃頻，信號頻率變為830 MHz固定中頻；再通過中頻（IF）濾波放大，進入正交解調器AD9371，該正交解調器本振頻率為830 MHz，得到零中頻基帶信號（I & Q信號），通過開關控制實現不同中頻帶寬的輸出。

最后基帶信號通過AD9371的JESD204B接口輸出，經過FPGA轉換為SRIO高速接口與VPX背板上圖像信號處理組件進行數據交互，從而完成視頻圖像信號的解析。

1.3.2 大信號板設計

小信號板的信號通過板間垂直射頻連接器進入大信號板，進入SP4T射頻開關根據頻段和功能分別切換進入不同通路。大信號板原理框圖如圖3所示，總體分為發射和接收通路。

發射信號分別進入高頻或低頻大信號功放，經過功放放大后進入LC濾波器進行濾波，主要濾除各次諧波分量。對于低頻功放，為滿足8 dB峰均比的信號發射需求，8 W輸出的功率應采用1 dB壓縮點100 W的LDMOS管進行設計確保；對于高頻功放，為滿足8 dB峰均比的信號發射需求，4 W輸出的功率應采用1 dB壓縮點為40 W的LDMOS管進行設計確保。在此功率輸出情況下，所選高頻和低頻功放管的ACPR指標均小于-40 dBc，能夠滿足設計指標需求。

接收信號經過SP4T射頻開關經過限幅器，限幅器主要用于保護接收電路，削弱大功率接收信號，可以滿足抗燒毀能力[3]。經過限幅器后再進入低噪放放大，然后進入小信號板。

信號通過前級微帶耦合器耦合進入小信號板的AD9371觀測口（ORX），從而對天線口信號進行實時監測。

1.3.3 組件PCB設計

微波收發組件有數字電路和模擬電路兩部分。按照不同電路類型，將他們分開布局，這樣有利于最后地的分割，數字地緊貼在數字電路下方，模擬地緊貼在模擬電路下方[4]。這樣有利于信號的回流和兩種地平面之間的穩定。

布局布線時遇到走線困難，需要靈活調整器件位置，如大信號板射頻開關為了布局走線需要將其旋轉一定角度，既節省了空間，也使走線更加平直。

微波收發組件中內部進行屏蔽設計，數字信號和模擬信號，大信號和小信號用金屬隔腔進行隔離防止信號內部互相串擾，影響功能性能[5]。

2 結構設計

為滿足產品的設計要求，為滿足產品性能、重量和屏蔽的要求，殼子采用鋁材制作。采用標準3U VPX導冷結構，所有尺寸按照系統要求尺寸進行設計，在印制板設計時，充分考慮器件的布局布線以滿足尺寸要求。

3U VPX模塊中有些器件（主要為集成電路和功率器件）的熱功耗較大，因此對3U VPX模塊的屏蔽盒結構做了特殊設計，將熱功耗較大的位置做凸起設計（如圖4所示），金屬凸起與與器件表面之間的間距保持在0.8 mm，在裝配前，在器件表面覆蓋一層厚度為1 mm的導熱硅片，裝配后導熱硅片被壓縮，使得屏蔽盒、導熱硅片、元器件充分緊配，有良好的熱接觸。

3U VPX模塊兩側的鎖緊條選用5段式熱傳導專用的鎖緊條，表面平整度可達到0.1，最大限度增大了與機箱導軌的有效接觸面積，減小熱阻。同時，鎖緊條表面進行了黑色陽極氧化，能夠高效地將模塊其他區域的熱量吸引至鎖緊條，通過導軌傳遞至整個機箱。

3 組件的實現與測試結果

將PCB板加工生產，裝配入組件，分別使用矢量網絡分析儀、頻譜儀、信號發生器進行測試，測試結果表明，該組件ACPR：≤-35 dBc，噪聲系數：≤1.8 dB，收發切換時間：≤3.0 μs，各次諧波抑制以及發射功率，抗燒毀能力均達到指標要求，滿足通信系統的實際要求。

4 結語

本設計主要研究基于VPX的多模多頻段微波收發組件，通過前期調研和系統分析進行方案設計，驗證方案的可行性，在保證組件性能的同時，實現通用化。根據指標要求，在指定頻段內，組件滿足接收噪聲系數、ACPR、發射功率、收發切換時間、諧波抑制的要求，具有一定的創新性實際應用意義。

參考文獻：

[1] 安效君.基于VPX的高速跳頻信號接收處理平臺設計[J].計算機與網絡，2021（7）：44-46.

[2] 趙旺.北斗導航授時終端模塊的設計與實現[M].成都：電子科技大學出版社，2020：16-23.

[3] 吳喆.基于SIP的射頻寬帶收發前端關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學， 2018.

[4] 張振，范如，羅俊.一種S波段平衡式限幅低噪聲放大器設計[J].微電子學，2012，42（4）：463-467.

[5] POZAR D M.微波工程[M].張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業出版社，2007.