宽带无线通信射频收发前端设计*

2010-02-28程知群周鹏飞

电子器件 2010年2期

程知群,张胜,李进,周鹏飞

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室,杭州 310018)

近年来,宽带无线通信由于其平均功率低、频谱利用率高、保密性好及多径分辨能力强,已成为全球通信领域研究的热点技术[1]。

宽带无线通信系统(BWCS)主要由 RF前端、数据调制解调、通信协议及相关算法部分组成,其中 RF前端是关键部分[2]。本文设计了一种 TDD模式无线宽带射频子系统,该系统可实现收发通道 RF前端的所有功能,能够满足 SC-FDE调制信号的收发要求,可应用于应急通信、指挥调度、无线监控、野外作业、海上作业等多媒体传输方案中,可实现点对点同频双工宽带传输,且该系统中内置 GPS模块,通过定位算法向中心站上传位置信息,图 1为 RF前端结构框图。

图1 RF前端结构框图

1 RF系统设计要求

1.1 设计指标

BWCS工作频段:325 MHz～355 MHz,信道带宽为 8 MHz,根据 BWCS通信要求规划 RF收发信道的性能指标,表 1为 RF收发信道设计指标要求。

表 1 RF收发信道指标

1.2 接收机 RF设计要求

接收机要求在引入失真最小的情况下,将接收到的信号转化为有用信息。噪声和干扰是影响接收机性能的无用信号,接收机输出有用信号要大于无用信号一定的功率,即满足最小信噪比要求[3]。

灵敏度是保证接收机输出达到最小信噪比的最小输入功率值,噪声系数是整个接收机系统的噪声值,噪声系数和灵敏度之间的关系为:

其中 NF为噪声系数,Pmin为灵敏度,SNRmin为最小信噪比。

动态范围是接收机接收信号功率的最大值与最小值的差值,用公式表示为:

DR为动态范围,Pmax为最大可接收信号功率值,Pmin为最小可接收信号功率值。

1.3 发射机 RF设计要求

发射机是将基带信号变频到射频信号,并放大到足够的功率发射,发射功率和邻道抑制是发射机两个重要的指标。

发射功率的设定和系统的通信距离、调制方式、最小信噪比、工作环境等有关,功率太小达不到最低信噪比的要求,功率太大将对邻道产生干扰[4-5]。发射机的非线性特性将产生很多谐波成分,邻道抑制是对谐波要求的指标,要求谐波功率小于有用信道功率一定值。

2 设计思路及实现方案

本文采用超外差模式实现收发机 RF前端,接收与发射采用 TDD模式切换,通过两次变频达到所需频段,收发射频信号频段为 325MHz～355MHz,信道带宽 8 MHz,中频为 10 MHz。

2.1 PLL设计

射频本振采用 ADI公司的 ADF4360系列产品,该产品片内集成 VCO,且具有较低的相位噪声,图 2为 ADF4360锁相环电路图,电路中采用高稳定性的晶振,可以利用晶振谐波实现二次混频本振信号。

图 2 ADF4360锁相环电路图

2.2 收发信道设计

接收信道设计需要保证噪声、增益、灵敏度、临道抑制满足系统要求。接收信道噪声级联计算公式为:

其中 F为总噪声系数;F1…Fn为各级噪声系数;G1…Gn-1为各级额定功率增益。

根据噪声级联公式可知,信道噪声主要决定于系统前端,为了使接收机的总噪声系数小,要求前级的噪声系数小、增益高。表 2为接收信道各级器件表。

表 2 接收信道选用器件表

发射信道采用高线性的混频器和放大器达到高线性度,采用数控衰减器调整增益范围,在实际应用中,为达到远距离发射,可以外接大功率放大器。表3为发射信道各级器件表。

表 3 发射信道选用器件表

3 测试结果

图 3为整个射频子系统 PCB版图,面积为 110 mm×70mm。

图 3 射频子系统PCB版图

3.1 锁相环测试

通过给锁相环 ADF4360提供 40MHz的时钟信号,输入频率控制字,锁定本振频率为 411 MHz,测得此时相位噪声优于 -100 dBc/Hz@400 kHz,满足系统本振设计要求。

3.2 接收信道测试

接收机输入频率为 341 MHz,带宽 8 MHz的SC-FDE信号。表 4为接收信道测试结果。

表 4 接收信道测试结果

从表 4可以看出:接收机的灵敏度 Pmin为 -94 dBm,接收增益 Gain为 73 dB,AGC的增益为 102 dB,测试结果表明接收机各项指标达到系统设计要求;只有灵敏度比设计要求指标差 1 dB。经分析和调试,将接收信道屏蔽罩进行合理设计,灵敏度得到改善,满足了设计要求。

3.3 发射信道测试

发射中频输入为频率 10 MHz,带宽 8 MHz的SC-FDE信号。表 5为发射信道测试结果。

从表 5可以看出:发射增益 Gain为 26 dB,ALC增益为 31 dB,均达到系统设计指标要求;ACPR比设计要求稍差些。经分析,可以将第一次混频的本振信号功率增大些,这样可以降低混频交调功率,提高系统 ACPR。

表 5 发射信道测试结果

4 结论

本文成功研制出一种应用于 TDD模式的无线宽带通信射频子系统。通过对系统中个电路的优化设计,选择了满足系统性能指标的低成本元件。减低了系统成本,提高了性价比。研制的电路已经在系统中得到实际的应用。

[1]通信学报专辑责任编委组.超宽带无线电技术[J].通信学报,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]唐章勋,申敏.基于 RF的短程无线通信系统设计[J].通信技术,2007,8(40):62-63.

[5]田玲,朱红兵,洪伟.超宽带射频接收机的研制[J].电子学报,2007,10:1838-1842.