宽带无线通信射频收发前端设计

     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。

　　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。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SC2FDE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。
　　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。
　　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8MHz,中频为10MHz。

　　2. 1　PLL设计

　　射频本振采用AD I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。

　　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。

　　3　测试结果

　　图3为整个射频子系统PCB 版图,面积为110mm ×70 mm。

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SC2FDE信号。表4为接收信道测试结果。

　　从表4可以看出:接收机的灵敏度Pmin为- 94dBm,接收增益Gain 为73 dB, AGC的增益为102dB,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SC2FDE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。 

　　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。