余 江

(广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510656)

0 引言

超短波通信作为目前视距通信的主要手段，具有以下优点：① 频段宽、通信容量大；② 视距以外的不同网络电台可以用相同频率工作，不会互相干扰；③ 可用方向性较强的天线，有利于抗干扰；④ 受昼夜和季节变化影响小，通信较稳定。因此，超短波通信是目前军用电台的主要通信手段。在小型化、低功耗的发展趋势下，超短波电台也向着小型化、轻型化和网络化发展。作为电台的主要部分，射频信道的轻小设计成为电台整机设计的主要手段。鉴于目前广泛使用的超外差技术架构，由于经过了变频电路，使整个发射通路变得复杂，无论在器件规模还是功耗方面都在小型化设计时显得捉襟见肘。伴随着集成电路技术的发展，发射机技术也正向着小型化、宽带化及高频化方向发展，单芯片调制器的技术成熟，使得正交发射成为可能。本文在小型化、低功耗的前提下，基于正交发射的基本架构，从基带电路、频率合成和射频信道3个方面对V/U频段的宽带发射信道进行了设计。

1 基带电路设计

零中频发射机[1-6]适用于中等性能指标的宽带数据传输，由于设计成CMOS SOC集成结构，多用于低成本、低功耗的宽带应用，如蓝牙及WiFi等都采用零中频发射架构。图1给出了零中频发射机的架构示意图。

图1 零中频发射机架构示意图

基带信号I(t)和Q(t)经本振作用后直接变频到最终的发射频率fT，然后在调制器输出端组合成信号S(t):

S(t)=I(t)cos(ωTt)-Q(t)sin(ωTt)，

其中：I(t)=A(t)cos(φ(t))，

Q(t)=A(t)sin(φ(t))，

则S(t)=A(t)cos(ωt+φ(t))。

S(t)即为正交发射的射频信号。

与超外差发射机比较，由于没有镜像噪声和中频分量，调制器的输出不再经过带通滤波器，而是直接与功率放大器的输入相连接，信号经功率放大器放大和低通滤波器或带通滤波器(用来抑制功率放大器的谐波和宽带噪声)滤波后发射出去。同样，功率放大器匹配网络被用来优化功率输出与线性度之间的关系。零中频发射机对后端的线性度、频谱纯度和I/Q平衡性要求更高，由于本振与射频同频，射频信号通过不合格的屏蔽会使VCO再调制，使频谱扩散。但基于零中频发射机架构优势，只需要一个简单的本振发生器，不再需要中频部分，大大简化了发射机组件，从而降低成本和尺寸。

如图2所示，基带变频采用ADI公司的正交调制LTC5598IUF[7]，标称工作频段5 MHz～1.6 GHz，在V/U频段， LTC5598IUF作为正交调制器，将I/Q基带数据直接调制到射频，减少中频级处理的同时减少因混频带来的杂散，这将有利于发射杂散控制和小型化设计。

基带I/Q数据经AD9716BCPZ双路数模转换后，通过LT6600-10[8]滤波成形进入调制器LTC5598IUF，与本振信号调制，生成V/U频段的射频信号。基于LTC5598IUF优秀的调制性能，可以实现EVM<1%，ACPR>55 dB的优异射频指标。如图3和图4所示。其中LT6600-10是一块噪声极低差分放大器和10 MHz低通滤波器，它将一个全差分放大器和一个近似契比雪夫(Chebyshev)频响的4阶10 MHz的低通滤波器集成在一起实现滤波和放大功能。仅需要多个精准的外部元件对增益和带宽进行修整，且滤波器 10 MHz 截止频率和通带波纹是在内部设定，无需外部元件，芯片内部还提供了必要的电平移位，用于输出共模电压。AD9716BCPZ[9]是一款低功耗双路模数转换器，在125MSPS时的功耗降至35 mW。

图2 基带电路框图

图3 基带调制后EVM测试图

图4 基带调制后ACPR测试图

2 频率合成设计

频合电路为发射电路提供本地振荡器，一般提供可变本振的电路有单锁相环、DDS和乒乓式锁相环3种，不同特性如表1所示。

表1 不同本振技术的优缺点比较

指标单PLLDDS乒乓式PLL工作频率较高低较高频率分辨率一般极高一般锁定速度慢快快相位噪声较低低较低频谱杂散低高低功耗低高一般面积一般低高

为提高频率转换的速度，满足超短波通信快速跳频需求，并合理控制功耗，本振采用了2个锁相环路交替输出的乒乓式锁相环，即第1个频率合成器锁定在某一个频率时，接通开关输出该频率信号，同时断开另一个频率合成器的输出开关，并为该频率合成器送下一组频率数据，进行频率转换。当换频时，接通该环输出并断开前一个频率合成器的输出，如此循环可使频率转换时间不大于10 μs。

采用乒乓切换的跳频源本振方案需要重点考虑2个环路之间的干扰和开关隔离度。试验结果表明，2个环路分开，通过合理的布线和良好的屏蔽，选用高隔离度的射频开关，可以实现80 dB的隔离，满足应用需求。

设计采用集成VCO的宽带频率合成器ADF4351[10]。ADF4351是ADI公司生产的一款低噪声宽频带锁相环(PLL)，归一化噪声基底为-221 dBc/Hz，VCO输出频率范围2 200～4 400 MHz，利用内部可编程分频器，输出频率可低至35 MHz。

设计需要30～512 MHz的本振频率，配置寄存器，使PLL输出60～1 024 MHz，采用二分频的方式实现本振30～512 MHz的本振输出。本振电路框图如图5所示。

图5 本振电路框图

根据锁相环设计理论[11-16]，在压控振荡器(VCO)压控灵敏度，鉴相器鉴相增益一定的情况下，PLL的设计主要是环路滤波器的设计，利用ADI公司PLL仿真工具ADIsimPLL，采用30.72 MHz晶振作为参考频率，鉴相频率15.36MHz进行仿真设计，电路图如图6所示。在413.5 MHz处的相位噪声为-127 dBc/Hz@100 KHz，-145 dBc/Hz@1 MHz，如图7所示,满足超短波电台发射噪声要求。

图6 ADF4351电路图

图7 实际测试相位噪声

3 射频电路设计

如图8所示，基带数据经调制后的射频信号进入射频电路，不失一般性，射频信号功率为0 dBm，无法满足超短波通信所需的功率和噪声要求，需要射频链路对射频信号进行调理，包括信号的放大、滤波和衰减电路。

图8 零中频发射机信道框图

调制信号首先经过一级放大电路，将信号放大到15 dBm左右，进入第1级滤波器，在超短波通信中，为了解决共址干扰问题，一般采用跳频窄带滤波器，可有效滤除带外噪声，保证发射的频谱纯度。经过第1级跳频滤波器后，射频信号经过数控衰减器，通过对末级功放的检波，反馈给数字端，控制数控衰减器，将宽频带的射频信号控制在合理的功率水平，保证发射功率平坦。之后，射频信号经第2级放大器，将功率推到20 dBm，保证在经过第2级跳频滤波器后，功率水平不低于16 dBm，第2级放大器的选型1 dB压缩点不低于21 dBm。经过第2级跳频滤波器后，射频功率为16 dBm，底部噪声为环境热噪声-174 dBm/Hz，以此功率接入后级功放单元，通过共址和放大，达到超短波通信所需的功率水平，一般为33 dBm或37 dBm。增益与噪声分配如表2所示。

表2 增益与噪声分配表器件参数

射频参数放大器G:15dBNF:5dB跳频滤波器插损:4dB阻带:40dB放大器G:10dBNF:5dB跳频滤波器插损:5dB阻带:40dB0dBm15dBm11dBm21dBm16dBm-145dBm/Hz-130dBm/Hz-170dBm/Hz-155dBm/Hz-174dBm/Hz

与超外差发射机的信道相比，零中频发射机在电路尺寸、功耗及成本方面有了明显降低，整个发射信道功耗不大于1 W，射频输出频谱如图9所示。

图9 零中频发射机发射频谱图

4 结束语

本文设计的V/U频段发射机设计方法，通过合理的信道、频合和基带设计，实现了低功耗、高性能的有效折中，在功耗不到1 W的前提下，实现输出功率16 dBm ，宽带噪声满足超短波通信要求。该本振电路可以作为独立模块，用于超外差收发信机的可变本振，实现高速跳频。本发射机基于零中频发射机的架构优势，采用小型化、集成化的器件，实现手持式V/U频段发射机设计，在此基础上，通过合理的上变频设计，可以实现更宽频段的小型化发射机。