一种数字跟踪接收机中频单元的设计与实现

胡天甲 张新岭

摘 要：阐述了一种兼容C频段和L频段输入的数字跟踪接收机中频单元的设计方案。针对整个中频单元信号流程和设计方案进行详细分析。给出测试结果为：相关杂散抑制优于-60 dBc（带内），无关杂散抑制优于-95dBm（带内），幅频特性≤1.5dB。该设备已在工程中广泛使用，性能稳定可靠，充分验证了该方案的可行性。

关键词：数字跟踪接收机；中频单元；兼容C频段和L频段输入；自检功能；小型化、低功耗

跟踪接收机是现代测控通信系统的重要组成部分。随着无线通信的数字化、小型化的发展趋势，数字跟踪接收机在现代通信领域发挥越来越重要的作用。数字跟踪接收机广泛采用的是中频带通采样数字化技术，通过FPGA和DSP完成对70MHz中频信号的数字信号处理。本设计中的中频单元模块就是完成将射频信号变频到70MHz中频信号的功能，在不做硬件改动的情况下，通过软件设置可以实现兼容C频段和L频段射频的输入信号，扩展了接收机的使用范围。中频单元还内置了信号发生模块，可以在无外界输入信号的情况下，对接收机的工作状态和性能进行测试，方便跟踪接收机的调试以及故障诊断等工作。

1 指标要求

输入频率范围：L频段（950MHz～1750MHz）；C频段（2.2 GHz～3.8 GHz），输出频率范围：70MHz ±500kHz，杂散要求：相关杂散（由于50dB）；无关杂散（由于-90dBm），幅频特性：带内优于2dB，镜像抑制：优于55dB，频率步进：1kHz。

2 变频方案设计

中频单元采用两次变频设计放方案，实现射频信号到70MHz中频信号的频率转换。具体实现框图如图一所示：

为满足不同使用条件的要求，配合软件设置，系统可以工作在两种模式下：正常工作模式和自检工作模式。在系统处于正常工作模式时，跟踪接收机处于正常工作状态，射频开关选通到射频信号输入通路；在系统处于自检工作模式时，跟踪接收机处于调试检测状态，射频开关选通到信号发生单元通路。

外界射频输入信号进过滤波处理后和信号发生单元的信号一起连接到射频开关，由系统控制开关状态，选通不同的通道。射频开关输出的信号经过放大滤波处理后输入到第一级混频器，与本振一的频率进行第一级混频处理。系统的第一级混频采用的是高本振方案，本振一输出的信号以500kHz步进递进，输出频率比射频输入信号频率高827MHz。

第一级混频器输出信号经过一个827MHz的窄带声表滤波器进行滤波，然后经过放大后输入到第二级混频器中，与第二级本振信号进行混频处理。第二级混频采用的是低本振方案，本振二输出的信号以1kHz步进递进，输出频率在757MHz左右。

第二级混频器输出的70MHz附近的中频信号经过滤波放大处理后作为最终输出信号使用。

3 硬件设计

3.1 信号发生模块

信号发生模块是采用的是RFMD公司的RFFC5071A芯片来设计实现。RFFC5071A是一款集成了VCO功能的频率综合器芯片，能在85MHz～4200MHz的覆盖范围内实现1.5Hz的频率步进。RFFC5072采用Si CMOS工艺设计，在3V的工作电压下最大功耗不超过400mW，满足小型化和低功耗的设计要求。

在跟踪接收机设置为自检工作模式时，开关芯片在控制信号的驱动下切换到信号发生模块通路，此时信号发生模块处于激活状态，配合软件设置，能够分别输出L频段和C频段的任意频点作为自检信号以供系统测试使用。在跟踪接收机处于正常工作模式时，开关芯片切换到射频输入通路，通过软件设置，信号发生模块进入到待机工作状态。在待机工作状态下，RFFC5071无信号输出，配合开关芯片的隔离功能，能有效避免自检模块信号对正常射频通道输入信号的干扰。

3.2 本振一单元

本振一单元的主要功能是输出一个LO信号，配合混频器将射频信号搬迁到第一级中频827MHz。本振一单元实现框图如图二所示：

系统在第一级混频处理时选用的是高本振方案，所以本振一单元的输出频率为射频输入信号频率+827MHz。本振一单元中的频率综合器采用的是AD公司的ADF4350芯片设计实现，周围集成一些其他芯片电路作为辅助，实现兼容L频段和C频段不同范围的频率输出要求。ADF4350是一款集成了VCO功能的频率综合器芯片，在内置分频器的配合下能实现137.5MHz～4400MHz的频率输出覆盖。

⑴系统工作在L频段：当系统工作在L频段时，本振一单元的频率输出范围为：1777MHz～2577MHz，ADF4350的输出范围可以直接完成对此频率范围的覆盖。此时开关芯片在程序的控制下，切换到L通路，频综输出的频率信号经过L通路的带通滤波器处理后，放大输出至混频器。

⑵系统工作在C频段：当系统工作在C频段时，本振一单元的频率输出范围为3027MHz～4627MHz，ADF4350的输出范围无法完整覆盖这个频段。所以在实际使用中，选择ADF4350输出1513.5MHz～2313.5MHz。此时开关芯片在程序的控制下，切换到C通路，频综输出的频率经过放大处理后送给倍频器芯片，然后经带通滤波、放大处理后输出至混频器。

3.3 第二级混频单元（集成本振二）

第二级混频单元的功能是将滤波处理后的第一级中频信号变频到70MHz，本方案采用RFMD公司的RFFC2072A芯片完成这部分功能。RFFC2072A是一款集本振模块、混频模块于一体的射频芯片，它能够在85MHz～2700MHz的频率输出范围内实现1.5Hz步进频率递进，内置的混频模块可以工作在30MHz～2700MHz频率范围内，满足系统设计要求。

RFFC2072A内置的本振模块是一款基于小数分频技术设计的频率综合器，先进的设计工艺以及技术，使其输出的频率具有出色的相位噪声性能和杂散性能。单片化的设计方案不仅能减小功耗和设计尺寸，也能有效的增强系统的稳定性。

3.4 印制板的设计实现

印制板是采用FR-4材质的6层电路板设计实现，整个盒体尺寸为70mm×50mm×10mm。由于系统采用多层板设计结构并且盒体空间狭小，电路中的数字信号和模拟信号共存，频率分量十分丰富，这就对系统的EMC设计提了很高的要求。

在实际设计过程中，运用ADS软件对位于不同层上的不同频率段的信号分别进行了参数仿真，并用Cadence软件对印制板电路进行信号完整性分析，尽可能的减小信号在走线过程中由于阻抗失配产生的辐射。每个芯片都尽量采取独立电源模块供电，芯片的供电管脚附近就近连接了丰富的电容进行滤波处理，并将电源层独立划分出来，以避免干扰信号在电源回路上的窜扰。

4 结论

本文介绍了一种数字跟踪接收机的中频单元设计方案。该设计方案在软件配置下，能够兼容C频段和L频段的射频输入信号。在实际应用过程中，通过不断的实验及改进， 该中频单元各项参数均能满足系统指标要求。采用本方案设计的数字跟踪接收机已经在工程中应用，性能稳定可靠。

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