潘冀寧 孫慧洋 公安部第一研究所

一、引言

信道機(jī)（Radio System Transeiver）是指在無(wú)線通信系統(tǒng)中，將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變成射頻信號(hào)的發(fā)射機(jī)和從天饋線系統(tǒng)接收射頻信號(hào)并復(fù)原為基帶信號(hào)的接收機(jī)的組合設(shè)備。

PDT標(biāo)準(zhǔn)則是具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集群通信標(biāo)準(zhǔn)，它著眼于未來(lái)專業(yè)數(shù)字對(duì)講技術(shù)發(fā)展方向，可滿足多數(shù)集群通信行業(yè)用戶的需求，擁有性價(jià)比高、安全保密、大區(qū)制、可擴(kuò)展和向后兼容等特點(diǎn)。

PDT車載終端信道機(jī)的大體結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)于PDT車載終端而言，信道機(jī)設(shè)計(jì)的好壞直接決定了它的性能指標(biāo)，是整個(gè)終端設(shè)備設(shè)計(jì)中的重中之重，決定了終端設(shè)備是否能夠PDT標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在《警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)-總體技術(shù)規(guī)范》中，規(guī)定了一系列評(píng)判PDT車載終端是否符合PDT標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)，包括最大輸出功率、功率變化容限、調(diào)試頻偏誤差、發(fā)射誤碼率、占用帶寬、頻率誤差、發(fā)射上升下降時(shí)間、調(diào)制鄰道功率、瞬態(tài)臨道功率、發(fā)射機(jī)雜散、靜態(tài)靈敏度、互調(diào)響應(yīng)抗擾性、阻塞、雜散響應(yīng)抗擾性、共信道抑制、鄰道選擇性、接收機(jī)雜散等。影響PDT車載終端信道機(jī)射頻性能指標(biāo)的主要因素包括發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)、接收機(jī)的設(shè)計(jì)、頻率合成器的設(shè)計(jì)以及時(shí)序控制軟件的設(shè)計(jì)。

本文通過(guò)總結(jié)作者在PDT車載終端信道機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，分析設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題。

二、發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)射機(jī)主要負(fù)責(zé)將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號(hào)并送至天饋系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射。在發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中，功率放大、功率控制和保護(hù)電路、低通濾波器和功率檢測(cè)等關(guān)鍵設(shè)計(jì)將直接影響其性能指標(biāo)。

（一）功率放大

功放電路通過(guò)4級(jí)放大將頻率合成器輸出的已調(diào)制信號(hào)放大到輸出要求的功率約44dBm，再經(jīng)過(guò)由多階切比雪夫?yàn)V波器構(gòu)成的諧波抑制器送到天線進(jìn)行發(fā)射，如圖2所示。

1. 輸入級(jí)（增益固定）

VCO給出的經(jīng)調(diào)制的信號(hào)幅度大約為3dBm左右，經(jīng)過(guò)6dB∏型衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入固定增益為16dB的緩沖放大。

2. 預(yù)推動(dòng)級(jí)（增益可控）

由緩沖放大提供的約13dBm的信號(hào)進(jìn)入低功率放大器，其增益可以由在MCU的控制下進(jìn)行調(diào)整，并配有輸入匹配電路。

3. 推動(dòng)級(jí)（增益可控）

推動(dòng)級(jí)的增益由自動(dòng)增益控制（APC）信號(hào)控制其柵極電壓來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整，輸出給末級(jí)功放。

4. 末級(jí)（增益固定）

末級(jí)功放為固定增益為10dB的高功率放大器，由13.8V車臺(tái)外接供電電源直接供電，由于功放由雙MOS組成，所以在其前后分別有分叉和合并匹配電路。

（二）功率控制和保護(hù)電路

1. 功率控制

發(fā)射末級(jí)功放靜態(tài)偏置調(diào)節(jié)(Final RF PA Bias)信號(hào)對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行初步調(diào)整，使末級(jí)功放在其正常的范圍內(nèi)工作；發(fā)射功率細(xì)調(diào)(Transmit High/Low Power)信號(hào)根據(jù)功率模式設(shè)置，輸入電壓高低，輸出天線匹配程度以及整機(jī)工作溫度等來(lái)確定輸出功率的大小，它是通過(guò)控制功放的推動(dòng)級(jí)來(lái)決定輸出功率的大小。

2. 保護(hù)電路

數(shù)字和模擬模式下功率的穩(wěn)定性、過(guò)熱保護(hù)、失配保護(hù)等主要是通過(guò)APC來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于高駐波可能會(huì)引起功放自激，而自激存在瞬時(shí)燒管的特點(diǎn)，因此采用硬件對(duì)功放進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)，減少反饋時(shí)間；而溫度保護(hù)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)溫度檢測(cè)信號(hào)的輸出電壓來(lái)檢測(cè)發(fā)射機(jī)的溫度，當(dāng)溫度上升到設(shè)定溫度后，軟件設(shè)置輸出功率為低功率5W，保證在極限條件下使用仍能保持一定的通信距離。

（三）低通濾波器

抑制諧波的低通濾波器是由集中參數(shù)電感和電容構(gòu)成的，通過(guò)這個(gè)濾波器可以在一定的帶內(nèi)波動(dòng)性能條件下，盡可能地提高對(duì)阻帶內(nèi)諧波雜散信號(hào)的衰減作用。

（四）功率檢測(cè)

功率檢測(cè)電路采用定向耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前向功率和反向功率的檢測(cè)。前向功率和反向功率分別耦合到一個(gè)二極管，之后這個(gè)隨功率而變化的直流電壓被送到功率控制電路，由其輸出電壓VGG控制預(yù)推動(dòng)和推動(dòng)級(jí)的柵極，調(diào)整輸出功率的大小。這個(gè)功率檢查耦合電路可以調(diào)整輸出功率以及檢測(cè)電壓駐波比（VSWR）。

三、接收機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

接收機(jī)主要負(fù)責(zé)將天饋系統(tǒng)接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)并送至基帶芯片進(jìn)行處理。接收機(jī)的設(shè)計(jì)分為前端和后端兩部分。

（一）接收前端設(shè)計(jì)

前端通過(guò)混頻將射頻信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)，其中的帶通濾波器，中頻放大器，混頻器和中頻濾波器的設(shè)計(jì)決定了它的性能指標(biāo)。

1. 帶通濾波器（BPF）

低噪聲放大器前后都配有帶通濾波器，這些帶通濾波器可以自動(dòng)調(diào)諧在接收頻率上，其衰減大概在0.8dB。

2. 低噪聲放大器（LNA）

低噪聲放大器會(huì)對(duì)輸入信號(hào)給出15dB的增益。

3. 混頻器（Mixer）

這里采用平衡混頻器（DBM），它具有較好的動(dòng)態(tài)范圍和隔離特性。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大之后，和來(lái)自VCO并經(jīng)過(guò)放大器放大至10dBm左右的第一本振信號(hào)一起送到混頻器中進(jìn)行第一次混頻，產(chǎn)生46.35MHz的第一中頻。

4. 中頻濾波器

這里采用晶體濾波器，濾除帶寬外的信號(hào)和雜散信號(hào)。

5. 中頻放大器

對(duì)經(jīng)過(guò)濾波的第一中頻信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大。

（二）接收后端設(shè)計(jì)

接收機(jī)后端為中頻處理，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)，其核心是中頻處理芯片。

從接收機(jī)前端輸出的第一中頻信號(hào)(46.35MHz)進(jìn)入中頻處理芯片，和第二本振信號(hào)（45.9MHz）進(jìn)行混頻產(chǎn)生450kHz的第二中頻信號(hào)。第二中頻信號(hào)通過(guò)450k的陶瓷濾波器回送到中頻處理芯片。這里根據(jù)不同的信道帶寬，會(huì)選擇不同的陶瓷濾波器。

在數(shù)字模式下，經(jīng)過(guò)陶瓷濾波器的第二中頻信號(hào)從中頻處理芯片取出，在經(jīng)過(guò)放大后，送給基帶處理芯片進(jìn)行處理。

在模擬模式下，450KHz的第二中頻經(jīng)過(guò)鑒頻器鑒頻，從中頻處理芯片輸出音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)帶通濾波器取出12kHz左右的噪聲，經(jīng)過(guò)放大器放大并整流后，產(chǎn)生一個(gè)和噪聲成比例的直流電壓，CPU根據(jù)這個(gè)直流電壓對(duì)模擬模式下的靜噪進(jìn)行處理。

四、頻率合成器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

頻率合成器為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別提供適當(dāng)頻率的信號(hào)，是整個(gè)信道機(jī)的核心部件。為了兼顧頻率合成器的相位噪聲和鎖定時(shí)間，PDT車載終端信道機(jī)的接收和發(fā)射部分采用完全獨(dú)立的頻率合成器，這樣可以優(yōu)化環(huán)路濾波器，以保證在接收端有很低的相位噪聲，而在發(fā)射端有較低的相位噪聲和較快速的鎖定時(shí)間。

（一）參考振蕩器

參考振蕩器是一個(gè)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO），分別給接收鎖相環(huán)芯片，發(fā)射鎖相環(huán)芯片以及接收機(jī)的中頻處理芯片提供穩(wěn)定的15.3MHz本振信號(hào)。

（二）鎖相環(huán)（PLL）

接收和發(fā)射鎖相環(huán)均采用小數(shù)分頻鎖相環(huán)芯片。

參考振蕩器信號(hào)輸入鎖相環(huán)后，經(jīng)過(guò)分頻產(chǎn)生比相頻率，壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率輸入鎖相環(huán)并分頻后，與比相頻率進(jìn)行鑒相，并輸出CV電壓。CV電壓通過(guò)環(huán)路濾波器送回到壓控振蕩器，控制壓控振蕩器內(nèi)部的變?nèi)荻O管，調(diào)整其輸出頻率。

（三）壓控振蕩器（VCO）

壓控振蕩器的性能直接影響著整個(gè)頻率合成器的性能，因此我們采用在發(fā)送端和接收端分別采用雙VCO（高頻段和低頻段分別使用獨(dú)立的VCO）共計(jì)4個(gè)獨(dú)立的VCO的設(shè)計(jì)，從而保證VCO擁有良好的指標(biāo)。

（四）BUFFER電路

根據(jù)發(fā)射和接收兩通路的要求，需要對(duì)VCO的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，達(dá)到一定的輸出幅度，幅度的平坦度在1dB以內(nèi)。

BUFFER電路主要需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 要兼顧對(duì)二次諧波的抑制。

2. 要消除自激。

3. 要關(guān)注相位噪聲的大小。

4. 高溫和低溫情況下幅度變化在3dB以內(nèi)。

五、時(shí)序控制設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

PDT車載終端的發(fā)射和接收都是由一系列的硬件電路在時(shí)序控制軟件的控制下，嚴(yán)格按照PDT時(shí)隙的要求配合工作而完成的。參與時(shí)隙控制的主要控制信號(hào)包括PDT時(shí)隙中斷、天線開(kāi)關(guān)、偏置、推動(dòng)級(jí)功放控制和鎖相環(huán)數(shù)據(jù)。

（一）PDT時(shí)隙

PDT時(shí)隙是整個(gè)時(shí)隙控制的基準(zhǔn)和參考對(duì)象。PDT時(shí)隙為雙時(shí)隙各30ms，基帶芯片通過(guò)中斷信號(hào)提示CPU時(shí)隙1和時(shí)隙2到來(lái)。CPU根據(jù)該中斷信號(hào)控制其他相關(guān)電路的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)符合PDT標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射和接收。

（二）天線開(kāi)關(guān)（ANT_EN）

天線開(kāi)關(guān)主要通過(guò)2個(gè)三極管和2個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。PDT擁有兩個(gè)時(shí)隙，這里時(shí)隙1作為發(fā)射時(shí)隙，時(shí)隙2為接收時(shí)隙。天線開(kāi)關(guān)隨著時(shí)隙的切換而開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收的切換。時(shí)隙1到來(lái)時(shí)CPU收到發(fā)射中斷，設(shè)置ANT_EN信號(hào)為高電平，兩個(gè)三極管和兩個(gè)二極管導(dǎo)通，發(fā)射通路打開(kāi)，信號(hào)通過(guò)濾波器送至天線端口發(fā)射；時(shí)隙2到來(lái)時(shí)CPU收到接收中斷，設(shè)置ANT_EN信號(hào)為低電平，兩個(gè)三極管和兩個(gè)二極管不導(dǎo)通，接收通路打開(kāi)，接收信號(hào)通過(guò)低通濾波器送至接收放大電路。

（三）偏置（BIAS）

偏置信號(hào)BIAS主要負(fù)責(zé)末級(jí)功放靜態(tài)偏置的調(diào)節(jié)，所以跟隨時(shí)隙中斷開(kāi)啟和關(guān)閉。時(shí)隙1到來(lái)時(shí)CPU收到發(fā)射中斷，查詢電調(diào)參數(shù)表并送發(fā)射偏置值至DA芯片，之后使能DA芯片輸出給出預(yù)設(shè)偏置電壓；時(shí)隙2到來(lái)時(shí)CPU收到接收中斷，查詢電調(diào)參數(shù)表并送接收偏置值至DA芯片，之后使能DA芯片輸出給出預(yù)設(shè)偏置電壓。

（四）推動(dòng)級(jí)功放

推動(dòng)級(jí)功放的功率上升下降曲線，不僅要嚴(yán)格配合PDT時(shí)隙的時(shí)序，還要控制曲線的形狀，做到既有符合要求的上升/下降時(shí)間，又有較好的臨道功率比指標(biāo)。推動(dòng)級(jí)功放的功率曲線也是由CPU控制DA芯片配合時(shí)隙中斷實(shí)現(xiàn)的。

（五）鎖相環(huán)數(shù)據(jù)

對(duì)于收發(fā)共用一個(gè)鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)而言，需要在首發(fā)時(shí)隙切換時(shí)重置鎖相環(huán)數(shù)據(jù)，鎖相環(huán)及VCO電路需要一定時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定的頻率輸出。而為了得到較好的射頻指標(biāo)，本設(shè)計(jì)中接收和發(fā)射分別使用獨(dú)立的鎖相環(huán)，鎖相環(huán)數(shù)據(jù)并不跟著時(shí)隙送出，而是只在一次通話的開(kāi)始和結(jié)束后對(duì)發(fā)射鎖相環(huán)進(jìn)行設(shè)置，在通話的過(guò)程中不需要在每個(gè)收發(fā)時(shí)隙對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行設(shè)置，避免了頻繁發(fā)送鎖相環(huán)數(shù)據(jù)對(duì)信道機(jī)指標(biāo)的影響。

六、結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已在國(guó)家級(jí)項(xiàng)目“PDT/LTE多模集群通信終端”的樣機(jī)研制過(guò)程中得到了應(yīng)用。該樣機(jī)已經(jīng)在公安部檢測(cè)中心按照《警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)射頻設(shè)備技術(shù)要求和測(cè)試方法》中射頻指標(biāo)的測(cè)試要求通過(guò)了檢測(cè)，技術(shù)指標(biāo)全部符合規(guī)定。

隨著數(shù)字集群和PDT標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，PDT車載終端有了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景，本文對(duì)PDT車載終端信道機(jī)的射頻設(shè)計(jì)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了解決方案，希望能對(duì)PDT終端的發(fā)展有所助益。

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