施永熱,吳信寶

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江杭州310018;2.中國電子科技集團公司第五十研究所,上海200063)

0 引 言

從20世紀(jì)60年代起,國外就開始進行擴頻通信技術(shù)的研究,跳頻電臺的推廣使用,替代了原有的常規(guī)通信電臺,最經(jīng)典的例子屬于美國的CHESS系統(tǒng)[1,2]。而國內(nèi)在此領(lǐng)域的發(fā)展相對較慢,目前國內(nèi)各電臺研制單位正在研究設(shè)計新一代的跳頻電臺,以適應(yīng)未來戰(zhàn)場環(huán)境的需要。提高跳頻電臺的通信能力,當(dāng)前最前沿的技術(shù)就是采用數(shù)字化和集成化來實現(xiàn)高放的高可靠性,強抗擾性,低噪聲性,高選擇性以及大動態(tài)范圍能力[3]。本文對接收機高放作出了研究。

1 接收機總體設(shè)計

在通信系統(tǒng)中,最難設(shè)計的部分就是接收機。它是跳頻電臺的重要組成部分,是實現(xiàn)通信性能的關(guān)鍵。整個接收機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 新一代VHF跳頻電臺接收機框圖

由圖1可知,接收機負(fù)責(zé)向終端提供解調(diào)后的音頻信號,噪聲靜噪電平。采用二次變頻的超外差接收方式,把接收到的高頻信號都變換成固定的中頻信號進行放大、解調(diào),頻率比較低,容易獲得較大的增益,因此接收機的靈敏度可以做得比較高。二次變頻還提高了像頻抑制能力,進一步提升靈敏度;兩級中頻放大及濾波保證了中頻信號的選擇性。

2 高放單元設(shè)計

在無線通信系統(tǒng)中,到達接收機的射頻信號電平多在μV數(shù)量級,因此需要將微弱的射頻信號進行放大。高放電路是接收機的重要組成部分,是實現(xiàn)其動態(tài)性能的關(guān)鍵部件。為了達到好的接收效果,高放單元應(yīng)具有低的噪聲系數(shù),盡可能大的動態(tài)范圍,更少的功耗,更高的可靠性,更低的價格和更小的尺寸。本機的有效頻率范圍是30～90MHz,且要求高增益為13±2dB,低增益為0±2dB,高放單元電路框圖如圖2所示。

圖2 高放單元電路框圖

由圖2可以看出,高放不僅具有高低增益選擇以及自動增益控制的功能,而且射頻信號在進入第一級跳頻預(yù)選濾波器之前,受到保護電路的監(jiān)控,以防輸入信號幅度過大,從而損壞接收機。放大器前后兩級濾波器采用數(shù)控跳頻濾波器。

2.1 數(shù)控跳頻預(yù)選濾波器

預(yù)選濾波器用來提高接收機前端電路的選擇性,對抑制各種外部干擾起決定性作用,可使干擾在進入混頻器之前就全部或大部分被抑制。目前,接收機廣泛采用高中頻和固定調(diào)諧濾波器。選用高中頻后,組合頻率干擾、鏡像頻率、中頻干擾基本上被抑制。固定調(diào)諧濾波器常用簡單的低通和倍頻程帶通濾波器。倍頻程帶通濾波器可以防止二階互調(diào)干擾的產(chǎn)生,如果設(shè)濾波器的下限頻率為f01,上限頻率為f02,則構(gòu)成二階互調(diào)干擾的條件是:

式中,f1和f2為兩個干擾頻率。當(dāng)f1和f2都接近上限頻率f01時,它們的和頻f1+f2≈2f02＞f02,不滿足式1;當(dāng)f1接近上限頻率f02,f2接近下限頻率f01時,它們的和頻f1+f2≈f01+f02＞f02,也不符合式1。只有當(dāng)f1和f2都接近下限頻率f01時,它們的和頻f1+f2≈2f01才有可能落在信號通帶內(nèi),構(gòu)成二階互調(diào)干擾。為消除這種可能性,可使:

式中,上限頻率f02小于下限頻率f01的兩倍。對于差頻信號也有相同的的結(jié)果。跳頻濾波器根據(jù)開關(guān)電容陣帶通濾波器的原理設(shè)計[4],其一個單元等效電路如圖3所示。

從圖3分析可知,當(dāng)接入-2.7V 電壓時,V 1、V2、V3、V4導(dǎo)通,電容C4、C7接入電路;當(dāng)電路接+60V時,V 1、V2、V3、V4截止,C4、C7被懸空,與電路斷開。C5、C6起隔直作用,防止加入的直流電直接到地;R3、R4是限流電阻,防止流過電路的電流過大,損壞電路;R1、R2、R5、R6用來保證V1、V2、V3、V4可靠的截止[5],通過高低電平的接入就可以控制不同值的電容接入濾波器電路,與電路中的電感產(chǎn)生諧振,實現(xiàn)選頻,濾波。考慮到實際應(yīng)用的需要,要求數(shù)控跳頻濾波器快速選頻,高效濾波,因此實際設(shè)計中選擇雙調(diào)諧回路。雙調(diào)諧回路優(yōu)點:濾波效率高,操作靈活,矩形系數(shù)較好,理論值為3.15,優(yōu)于單調(diào)諧回路的9.7,且?guī)捠菃握{(diào)諧回路理論值的1.414倍[6]。

2.2 射頻低噪放大器

圖3 跳頻預(yù)選濾波器一個單元等效電路

射頻低噪聲放大器不僅是系統(tǒng)高線性實現(xiàn)的關(guān)鍵,更是系統(tǒng)高靈敏度實現(xiàn)的可靠保證。課題在該單元實現(xiàn)中設(shè)計有高、低增益可選的雙通路LNA,通過自動增益控制,由終端來根據(jù)實際情況選擇通路。高增益LNA電路如圖4所示。

圖4 高增益LNA電路圖

由圖4可知,電路結(jié)構(gòu)上采用晶體管2N5031與場效應(yīng)管U310共射共柵的結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)保證LNA具有足夠的增益,其中第一級晶體管電路采用負(fù)反饋技術(shù)保證放大器的穩(wěn)定性。偏置采用串聯(lián)饋電方式,R1、R2、R3、R4、R6提供 V1基極直流偏置;R3、R4、R5、R8決定V2的柵極直流電壓。C4、R7為交流負(fù)反饋支路。而低增益LNA電路與高增益LNA電路類似,不同之處僅在于低增益LNA電路選擇場效應(yīng)管U310接成共柵極形式,作為唯一的放大器對信號進行放大。

2.3 自動增益控制電路設(shè)計

自動增益控制的功能是當(dāng)輸入信號強度改變時,用以使輸出位準(zhǔn)保持近于定值。在未裝AGC的接收機中,若輸入信號過強時,將會使信號即時飽和而導(dǎo)致嚴(yán)重失真。反之,若信號微弱時,將會使信號不易檢知[7]。高放的AGC電路由模擬開關(guān),峰值檢波放大電路模塊以及比較器組成。經(jīng)過接收機射頻前端的信號先通過由晶體管放大器2N918和運算放大器TL062組成的峰值檢波放大電路提取信號的電壓值,再經(jīng)過比較器LM 2903與參考位準(zhǔn)電壓進行比較,輸出TTL電平至終端,由終端進行判斷,若此時信號過大,則終端輸出一個控制信號至模擬開74HC4052,使其選擇低增益通路導(dǎo)通,高增益通路截止;反之則選擇高增益通路導(dǎo)通,低增益通路截止。

3 測試結(jié)果

為了驗證設(shè)計的VHF跳頻電臺接收機高放的性能,測試中使用Agilent公司的8712ET網(wǎng)絡(luò)分析儀、8921A通訊綜合測試儀和Ifr2023A信號發(fā)生器,分別對高放的增益、帶寬和像頻抑制進行測試。其測試的結(jié)果如表1所示。

表1 高放性能測試結(jié)果表

由表1可知,高靈敏度下的增益達到了13dB±2dB設(shè)計要求,且?guī)?nèi)增益較為平穩(wěn);帶寬隨著頻率的升高逐漸變寬,使高放具有較強的選擇性;像頻抑制超過了預(yù)先的設(shè)計要求(30MHz～58.975MHz:≥80dB;59MHz～87.975MHz:≥75dB),并有較大的提高,這是由于數(shù)控跳頻濾波器的存在,使得信號在放大之前經(jīng)過了較好的濾波,將絕大部分干擾信號排除;駐波比也達到了設(shè)計要求(VSWR≤2);在整機測試中測得的中頻抑制為110dB,性能遠優(yōu)于設(shè)計要求(≥100dB)。從總體分析看來,高放達到了設(shè)計要求的性能指標(biāo)并有所改善,具備可生產(chǎn)性和良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

VHF跳頻接收機高放的設(shè)計,必須適應(yīng)接收機線性度好、動態(tài)范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強的特點。本文設(shè)計的高放中,數(shù)控跳頻預(yù)選濾波器是以8位并行控制碼控制電容陣為基礎(chǔ)的雙調(diào)諧濾波器,實現(xiàn)了高速選頻,高效濾波,同時較好的解決了插損和帶寬之間的矛盾,使得接收機有更好的選擇性,較強的抑制干擾能力(中頻抑制＞110dB,像頻抑制＞75);自動增益控制的LNA,讓接收機可以適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境,有更好的動態(tài)范圍、線性和靈敏度;保護電路消除了接收機工作的后顧之憂。

[1] 朱紅琛.CHESS系統(tǒng)的跳頻通信技術(shù)[J].通信技術(shù),1998,(2):73-76.

[2] 譚文生.外軍短波抗干擾電臺發(fā)展趨勢[A].2001軍事通信抗干擾研討會論文集[C],武漢:軍事通信抗干擾研究會,2001:96-99.

[3] 郭宗良.跳頻電臺的發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代通信,2004,(4):21-22.

[4] LiD,Tsidivis Y.Design techniques for automatically tuned integrated gigahertz-range active LC filters[J].IEEE JSol Sta Circ,2002,37(8):967-977.

[5] 宋波,陳江,于再興.跳頻濾波器初探[J].軍事通信技術(shù),2001,22(1):68-70.

[6] 彭峰,雷李,張里.跳頻接收機中調(diào)諧高放電路的設(shè)計[J].信息安全與保密,2007,(1):93-95.

[7] 袁杰.實用無線電設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:329.