链路复用的跳频收发机射频前端设计

黄 磊，余 平，鲍景富，袁 田

（电子科技大学a.电子工程学院；b.抗干扰国家重点实验室，四川 成都 611731）

0 引文

跳频通信电台在军事领域通信系统中占不可或缺的地位，受到越来越多的关注而成为研究热点[1]。在跳频电台中，收发信机射频前端是关键部件，它的优劣直接影响到整体系统的通信质量[2]。

便携式跳频电台作为一种移动通信设备[3]，主要实现部队和指挥系统之间快速交换信息，从而大幅度提高作战部队的反应能力[4]。由于跳频电台主要是为了提高通信系统的抗干扰能力[5]，因此收发信机射频前端处理有用信号和抑制干扰信号的能力是关键，应当具有体积小、功耗小、重量轻等特点。

如果射频前端采用收发链路分开的模式，为了节省能耗，那么在发射状态时，需要关闭接收链路；在接收状态时，需要关闭发射链路[6]。然而，采用电源开关来关断不工作链路的供电，该方式存在以下两个问题：①电源开关并不能完全关断链路供电，只是使输出电压处于低电平模式，仍存在一定的能耗；②电源开关还需要一个控制信号来实现开关功能。为此，设计了一种工作于时分双工模式（TDD）下的收发链路复用的跳频收发信机射频前端，将收发链路合并为一条链路，不仅降低了功耗，而且减小了收发信机射频前端体积。

1 射频链路的设计

无线收发信机射频前端分为接收机和发射机两部分。发射机的射频前端的主要功能是上变频，功率放大和滤波[7]。变频采用一次或者多次变频，可根据链路对指标的要求而定[8]。由于设计中输入70 MHz中频信号和输出为110～512 MHz的射频信号相隔较近，如果采用一次上变频的话，那么输出端的杂散、本振泄露、镜像信号、谐波等干扰信号可能处于通频带内，无法滤除。如果采用三次或者多次变频，那么链路成本较高，体积较大，功耗较高。综合以上因素，该射频前端采用二次变频技术。接收机的作用主要是有选择的放大空中的微弱电磁信号，并恢复有用信号。目前，接收机主要有零中频，超外差和数字下变频三种结构。超外差接收机是将接收到的射频信号和本振信号进行混频，通过性能较好的滤波器取出有用信号。可根据指标要求，而选择相应的混频次数。超外差接收机结构简单，容易实现，因此可作为设计中选定方案。便携式跳频电台的接收和发射处于不同的时间。为了节约电台的能耗，将接收和发射链路采用同一链路，进行分时复用，具体结构如图1所示。

图1 收发信机原理框

当链路处于发射时，DAC输入70 MHz中频信号，与第一级本振信号进行混频，得到高频率信号。然后选用相应的中频滤波器滤除干扰信号，再使用中频放大器放大信号功率。进而将处理后的信号，与第二级本振信号进行混频得到110～512 MHz信号，然后进行放大和滤波等，最后由In_out端将信号发射出去。

当链路处于接收时，In_out端接收到 110～512 MHz信号，经过功率放大，再与第一级本振信号进行混频，得到和发射中间频率相同的信号。该信号在经过和发射相同的处理后，再与第二级本振信号混频，得到70 MHz中频信号。然后经过放大和滤波后，将该信号通过IFout端输入到基带。

由于跳频电台对收发信机的抗干扰性能要求较高，因此收发链路要满足带内波动小、本振泄露小、镜像抑制高和杂散低。带内波动和其余几个指标是矛盾的，因为在阻抗匹配电路中，带内波动是级联恶化的。也就是说，链路中芯片级数越多，带内波动越差。其余的指标则是需要在链路中加入滤波器进行抑制的。如果这些指标要抑制到很低，那么一般需要两级甚至多级滤波器。综合各个指标考虑，选择将中间级频率选为较高的频点，使得远离收发信机的工作频段。这样，干扰信号影响较小。

混频器是产生杂散、本振泄露和镜像干扰信号的器件。其实现频谱搬移的理论模型可描述为：

其中 ALOcosωLOt为本振信号，ALO为本振信号的振幅，ωLO为本振信号的频率；AIFcosωIFt为输入中频信号，AIF为中频信号的振幅，ωIF为中频信号的频率。由公式可以看出，如果选定ωLO-ωIF为输出射频信号，那么 ωLO+ωIF则是镜像信号，且两者信号幅度均是。此外，还有本振信号和中频信号泄露到射频信号输出端，两泄露信号幅度根据混频器输入输出管脚的隔离度而定。然而，本振信号和中频信号都有多次谐波，这些分量可以组合出很多杂散信号。这些信号都需要中频滤波器来滤除。

由于设计要求处理带宽达到60 MHz，因此中频滤波器的3 dB带宽需要大于等于60 MHz。由于发射时，第一级本振信号和混频后的信号相差70 MHz，因此该滤波器的矩形系数要好。也就是说选用的滤波器在60 MHz带宽内的波动要小，带外抑制要高。设计中可根据要求，采用多级滤波器级联。

一般情况下，收发信机需要考虑收发隔离度。当链路工作在发射状态时，发射信号通过末级开关耦合到接收输出端。当链路工作在接收状态时，接收信号通过两级开关耦合到输入端（发射输出端）。因此设计中开关的隔离度很重要。

2 跳频的实现

设计中选用的本振是 HITTITE公司的集成VCO小数分频锁相环HMC830。其VCO产生的频率为1.5～3 GHz，然后经过2到62位分频器将输出频率扩展到25 MHz～3 GHz。HMC830的相噪也很好。在讯泰（HITTITE）公司给出的HMC830相噪图中，输出频率为2.5 GHz，环路带宽取74 kHz时，相噪最差，大概是-104dBc/Hz@10kHz。

图2 HMC830时域仿真

利用 Matlab中嵌入的 HITTITE公司提供的HMC830仿真软件，设置起始频率为760 MHz，频率跳变后的频率为1 GHz，环路带宽为90 kHz，相位裕度为 45°。经过时域仿真得到，可知 HMC830的锁定时间小于50 us，完全能实现电台的快速跳频要求。时域仿真结果如图2所示。

HMC830一般通过SCK，SDI和SEN以总线的形式输入外部控制信号。其中SCK为时钟信号，为上升沿触发。当SCK处于上升沿，SEN为写使能，SDI为高电平时，该本振开始写入外部控制信号。SDI先写入8位地址，再写入24位数据。LD_SDO为多功能管脚，一般定义为锁定检测输出。当LD_SDO输出高电平，则表示该本振已经锁定。

3 测试结果与结论分析

设计最后还对各项指标进行了测试：信号源输入相应频率和功率的信号，频谱仪接收射频板输出信号。图3测试的是最高频点512 MHz偏离10 kHz处的相噪。从图中看出，相噪为-98.4dBc/Hz@ 10kHz。

图3 512 MHz处偏离10 kHz的相噪

发射输出带内波动为2.99 dB，测试结果如图4所示。影响该指标的器件主要是工作带宽窄的器件。整个链路中，只有中频滤波器和末级滤波器是窄带器件。影响该指标的主要看两种滤波器的性能。发射的杂散、谐波、本振泄露和镜像抑制等指标都优于-50 dBc。接收的杂散、本振泄露和镜像抑制等指标都优于-50 dBc。测试结果如图5（a）、图5（b）所示。

图4 发射带内波动

图5 发射和接收链路频谱

4 结语

根据便携式跳频电台的要求，设计了一种链路复用的跳频收发信机射频前端，将收发链路合并为一条链路，能有效处理有用信号和抑制干扰信号。为了实现跳频电台抗敌方干扰信号的性能，选用了高性能本振实现其高速跳频功能。从对各个指标的测试与分析结果看出，整个设计达到了便携式跳频电台系统的要求。由于选用同一条链路实现收发信号，其隔离度还需进一步改善。从整个链路看，可考虑在IFout和发射滤波段加一级开关，将开关输出端接地。当发射时，将IFout端接地；当接收时，将发射滤波段接地，可以增大链路的隔离度。

[1] 邓瀛琪.跳频电台关键模块研究[D].西安：西安电子科技大学,2006.

[2] 王枫.UHF频段无线收发信机前端设计[J].电子设计工程,2011,19(01): 91-95.

[3] 李永军.适用于教学的跳频通信系统仿真设计[J].通信技术,2011,44(04): 62-64.

[4] 赵岩.基于 Simulink的跳频通信系统抗干扰性能分析[J].通信技术,2010,43(11):15-18.

[5] 胡文江.扩频技术及应用[J].信息安全与通信保密,2006(08):168-170.

[6] 郗丹.双模手机射频前端技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[7] 苑春雷.C波段收发信机的研制[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[8] 赵春辕.小型无线收发信机的设计[D].成都:电子科技大学,2007.