PDT车载终端信道机射频关键技术研究

潘冀宁 孙慧洋 公安部第一研究所

一、引言

信道机（Radio System Transeiver）是指在无线通信系统中，将基带信号转变成射频信号的发射机和从天馈线系统接收射频信号并复原为基带信号的接收机的组合设备。

PDT标准则是具有中国自主知识产权的集群通信标准，它着眼于未来专业数字对讲技术发展方向，可满足多数集群通信行业用户的需求，拥有性价比高、安全保密、大区制、可扩展和向后兼容等特点。

PDT车载终端信道机的大体结构如图1所示，对于PDT车载终端而言，信道机设计的好坏直接决定了它的性能指标，是整个终端设备设计中的重中之重，决定了终端设备是否能够PDT标准的要求。

在《警用数字集群（PDT）通信系统-总体技术规范》中，规定了一系列评判PDT车载终端是否符合PDT标准要求的指标，包括最大输出功率、功率变化容限、调试频偏误差、发射误码率、占用带宽、频率误差、发射上升下降时间、调制邻道功率、瞬态临道功率、发射机杂散、静态灵敏度、互调响应抗扰性、阻塞、杂散响应抗扰性、共信道抑制、邻道选择性、接收机杂散等。影响PDT车载终端信道机射频性能指标的主要因素包括发射机的设计、接收机的设计、频率合成器的设计以及时序控制软件的设计。

本文通过总结作者在PDT车载终端信道机设计过程中的经验，分析设计中的一些关键问题。

二、发射机设计中的关键技术

发射机主要负责将基带信号转变为射频信号并送至天馈系统进行发射。在发射机设计中，功率放大、功率控制和保护电路、低通滤波器和功率检测等关键设计将直接影响其性能指标。

（一）功率放大

功放电路通过4级放大将频率合成器输出的已调制信号放大到输出要求的功率约44dBm，再经过由多阶切比雪夫滤波器构成的谐波抑制器送到天线进行发射，如图2所示。

1. 输入级（增益固定）

VCO给出的经调制的信号幅度大约为3dBm左右，经过6dB∏型衰减网络进入固定增益为16dB的缓冲放大。

2. 预推动级（增益可控）

由缓冲放大提供的约13dBm的信号进入低功率放大器，其增益可以由在MCU的控制下进行调整，并配有输入匹配电路。

3. 推动级（增益可控）

推动级的增益由自动增益控制（APC）信号控制其栅极电压来动态调整，输出给末级功放。

4. 末级（增益固定）

末级功放为固定增益为10dB的高功率放大器，由13.8V车台外接供电电源直接供电，由于功放由双MOS组成，所以在其前后分别有分叉和合并匹配电路。

（二）功率控制和保护电路

1. 功率控制

发射末级功放静态偏置调节(Final RF PA Bias)信号对发射功率进行初步调整，使末级功放在其正常的范围内工作；发射功率细调(Transmit High/Low Power)信号根据功率模式设置，输入电压高低，输出天线匹配程度以及整机工作温度等来确定输出功率的大小，它是通过控制功放的推动级来决定输出功率的大小。

2. 保护电路

数字和模拟模式下功率的稳定性、过热保护、失配保护等主要是通过APC来实现。由于高驻波可能会引起功放自激，而自激存在瞬时烧管的特点，因此采用硬件对功放进行实时保护，减少反馈时间；而温度保护通过软件实现，通过温度检测信号的输出电压来检测发射机的温度，当温度上升到设定温度后，软件设置输出功率为低功率5W，保证在极限条件下使用仍能保持一定的通信距离。

（三）低通滤波器

抑制谐波的低通滤波器是由集中参数电感和电容构成的，通过这个滤波器可以在一定的带内波动性能条件下，尽可能地提高对阻带内谐波杂散信号的衰减作用。

（四）功率检测

功率检测电路采用定向耦合器来实现对前向功率和反向功率的检测。前向功率和反向功率分别耦合到一个二极管，之后这个随功率而变化的直流电压被送到功率控制电路，由其输出电压VGG控制预推动和推动级的栅极，调整输出功率的大小。这个功率检查耦合电路可以调整输出功率以及检测电压驻波比（VSWR）。

三、接收机设计中的关键技术

接收机主要负责将天馈系统接收到的射频信号转变为基带信号并送至基带芯片进行处理。接收机的设计分为前端和后端两部分。

（一）接收前端设计

前端通过混频将射频信号变为中频信号，其中的带通滤波器，中频放大器，混频器和中频滤波器的设计决定了它的性能指标。

1. 带通滤波器（BPF）

低噪声放大器前后都配有带通滤波器，这些带通滤波器可以自动调谐在接收频率上，其衰减大概在0.8dB。

2. 低噪声放大器（LNA）

低噪声放大器会对输入信号给出15dB的增益。

3. 混频器（Mixer）

这里采用平衡混频器（DBM），它具有较好的动态范围和隔离特性。接收信号经过放大器放大之后，和来自VCO并经过放大器放大至10dBm左右的第一本振信号一起送到混频器中进行第一次混频，产生46.35MHz的第一中频。

4. 中频滤波器

这里采用晶体滤波器，滤除带宽外的信号和杂散信号。

5. 中频放大器

对经过滤波的第一中频信号进行两级放大。

（二）接收后端设计

接收机后端为中频处理，将中频信号转变为基带信号，其核心是中频处理芯片。

从接收机前端输出的第一中频信号(46.35MHz)进入中频处理芯片，和第二本振信号（45.9MHz）进行混频产生450kHz的第二中频信号。第二中频信号通过450k的陶瓷滤波器回送到中频处理芯片。这里根据不同的信道带宽，会选择不同的陶瓷滤波器。

在数字模式下，经过陶瓷滤波器的第二中频信号从中频处理芯片取出，在经过放大后，送给基带处理芯片进行处理。

在模拟模式下，450KHz的第二中频经过鉴频器鉴频，从中频处理芯片输出音频信号，经过带通滤波器取出12kHz左右的噪声，经过放大器放大并整流后，产生一个和噪声成比例的直流电压，CPU根据这个直流电压对模拟模式下的静噪进行处理。

四、频率合成器设计中的关键技术

频率合成器为发射机和接收机分别提供适当频率的信号，是整个信道机的核心部件。为了兼顾频率合成器的相位噪声和锁定时间，PDT车载终端信道机的接收和发射部分采用完全独立的频率合成器，这样可以优化环路滤波器，以保证在接收端有很低的相位噪声，而在发射端有较低的相位噪声和较快速的锁定时间。

（一）参考振荡器

参考振荡器是一个温度补偿晶体振荡器（TCXO），分别给接收锁相环芯片，发射锁相环芯片以及接收机的中频处理芯片提供稳定的15.3MHz本振信号。

（二）锁相环（PLL）

接收和发射锁相环均采用小数分频锁相环芯片。

参考振荡器信号输入锁相环后，经过分频产生比相频率，压控振荡器产生的频率输入锁相环并分频后，与比相频率进行鉴相，并输出CV电压。CV电压通过环路滤波器送回到压控振荡器，控制压控振荡器内部的变容二极管，调整其输出频率。

（三）压控振荡器（VCO）

压控振荡器的性能直接影响着整个频率合成器的性能，因此我们采用在发送端和接收端分别采用双VCO（高频段和低频段分别使用独立的VCO）共计4个独立的VCO的设计，从而保证VCO拥有良好的指标。

（四）BUFFER电路

根据发射和接收两通路的要求，需要对VCO的输出信号经过两级放大，达到一定的输出幅度，幅度的平坦度在1dB以内。

BUFFER电路主要需要注意以下几点：

1. 要兼顾对二次谐波的抑制。

2. 要消除自激。

3. 要关注相位噪声的大小。

4. 高温和低温情况下幅度变化在3dB以内。

五、时序控制设计中的关键技术

PDT车载终端的发射和接收都是由一系列的硬件电路在时序控制软件的控制下，严格按照PDT时隙的要求配合工作而完成的。参与时隙控制的主要控制信号包括PDT时隙中断、天线开关、偏置、推动级功放控制和锁相环数据。

（一）PDT时隙

PDT时隙是整个时隙控制的基准和参考对象。PDT时隙为双时隙各30ms，基带芯片通过中断信号提示CPU时隙1和时隙2到来。CPU根据该中断信号控制其他相关电路的工作状态，从而实现符合PDT标准的发射和接收。

（二）天线开关（ANT_EN）

天线开关主要通过2个三极管和2个二极管来实现。PDT拥有两个时隙，这里时隙1作为发射时隙，时隙2为接收时隙。天线开关随着时隙的切换而开闭，从而实现发送和接收的切换。时隙1到来时CPU收到发射中断，设置ANT_EN信号为高电平，两个三极管和两个二极管导通，发射通路打开，信号通过滤波器送至天线端口发射；时隙2到来时CPU收到接收中断，设置ANT_EN信号为低电平，两个三极管和两个二极管不导通，接收通路打开，接收信号通过低通滤波器送至接收放大电路。

（三）偏置（BIAS）

偏置信号BIAS主要负责末级功放静态偏置的调节，所以跟随时隙中断开启和关闭。时隙1到来时CPU收到发射中断，查询电调参数表并送发射偏置值至DA芯片，之后使能DA芯片输出给出预设偏置电压；时隙2到来时CPU收到接收中断，查询电调参数表并送接收偏置值至DA芯片，之后使能DA芯片输出给出预设偏置电压。

（四）推动级功放

推动级功放的功率上升下降曲线，不仅要严格配合PDT时隙的时序，还要控制曲线的形状，做到既有符合要求的上升/下降时间，又有较好的临道功率比指标。推动级功放的功率曲线也是由CPU控制DA芯片配合时隙中断实现的。

（五）锁相环数据

对于收发共用一个锁相环的设计而言，需要在首发时隙切换时重置锁相环数据，锁相环及VCO电路需要一定时间才能达到稳定的频率输出。而为了得到较好的射频指标，本设计中接收和发射分别使用独立的锁相环，锁相环数据并不跟着时隙送出，而是只在一次通话的开始和结束后对发射锁相环进行设置，在通话的过程中不需要在每个收发时隙对锁相环进行设置，避免了频繁发送锁相环数据对信道机指标的影响。

六、结语

本文所介绍的几项关键技术已在国家级项目“PDT/LTE多模集群通信终端”的样机研制过程中得到了应用。该样机已经在公安部检测中心按照《警用数字集群（PDT）通信系统射频设备技术要求和测试方法》中射频指标的测试要求通过了检测，技术指标全部符合规定。

随着数字集群和PDT标准的发展，PDT车载终端有了越来越广泛的应用范围和发展前景，本文对PDT车载终端信道机的射频设计中的几项关键技术进行了分析，提出了解决方案，希望能对PDT终端的发展有所助益。

[1] Joseph J.Carr. Secrets of RF Circuit Design. The McGraw-Hill Companies,inc, 2001.

[2] Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. RF Circuit Design Theory and Applications. Science Press and Pearson Education North Asia Limited, 2002.

[3] Wes Hayward, Tick Campbell, Bob Larkin. Experimental Methods in RF Design. The American Radio Relay League,Inc, 2003.

[4] 李缉熙. 射频电路工程设计. 电子工业出版社, 2011.