一種數(shù)字跟蹤接收機(jī)中頻單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡天甲 張新嶺

摘 要：闡述了一種兼容C頻段和L頻段輸入的數(shù)字跟蹤接收機(jī)中頻單元的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)整個(gè)中頻單元信號(hào)流程和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)分析。給出測試結(jié)果為：相關(guān)雜散抑制優(yōu)于-60 dBc（帶內(nèi)），無關(guān)雜散抑制優(yōu)于-95dBm（帶內(nèi)），幅頻特性≤1.5dB。該設(shè)備已在工程中廣泛使用，性能穩(wěn)定可靠，充分驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字跟蹤接收機(jī)；中頻單元；兼容C頻段和L頻段輸入；自檢功能；小型化、低功耗

跟蹤接收機(jī)是現(xiàn)代測控通信系統(tǒng)的重要組成部分。隨著無線通信的數(shù)字化、小型化的發(fā)展趨勢，數(shù)字跟蹤接收機(jī)在現(xiàn)代通信領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。數(shù)字跟蹤接收機(jī)廣泛采用的是中頻帶通采樣數(shù)字化技術(shù)，通過FPGA和DSP完成對(duì)70MHz中頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理。本設(shè)計(jì)中的中頻單元模塊就是完成將射頻信號(hào)變頻到70MHz中頻信號(hào)的功能，在不做硬件改動(dòng)的情況下，通過軟件設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)兼容C頻段和L頻段射頻的輸入信號(hào)，擴(kuò)展了接收機(jī)的使用范圍。中頻單元還內(nèi)置了信號(hào)發(fā)生模塊，可以在無外界輸入信號(hào)的情況下，對(duì)接收機(jī)的工作狀態(tài)和性能進(jìn)行測試，方便跟蹤接收機(jī)的調(diào)試以及故障診斷等工作。

1 指標(biāo)要求

輸入頻率范圍：L頻段（950MHz～1750MHz）；C頻段（2.2 GHz～3.8 GHz），輸出頻率范圍：70MHz ±500kHz，雜散要求：相關(guān)雜散（由于50dB）；無關(guān)雜散（由于-90dBm），幅頻特性：帶內(nèi)優(yōu)于2dB，鏡像抑制：優(yōu)于55dB，頻率步進(jìn)：1kHz。

2 變頻方案設(shè)計(jì)

中頻單元采用兩次變頻設(shè)計(jì)放方案，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)到70MHz中頻信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖一所示：

為滿足不同使用條件的要求，配合軟件設(shè)置，系統(tǒng)可以工作在兩種模式下：正常工作模式和自檢工作模式。在系統(tǒng)處于正常工作模式時(shí)，跟蹤接收機(jī)處于正常工作狀態(tài)，射頻開關(guān)選通到射頻信號(hào)輸入通路；在系統(tǒng)處于自檢工作模式時(shí)，跟蹤接收機(jī)處于調(diào)試檢測狀態(tài)，射頻開關(guān)選通到信號(hào)發(fā)生單元通路。

外界射頻輸入信號(hào)進(jìn)過濾波處理后和信號(hào)發(fā)生單元的信號(hào)一起連接到射頻開關(guān)，由系統(tǒng)控制開關(guān)狀態(tài)，選通不同的通道。射頻開關(guān)輸出的信號(hào)經(jīng)過放大濾波處理后輸入到第一級(jí)混頻器，與本振一的頻率進(jìn)行第一級(jí)混頻處理。系統(tǒng)的第一級(jí)混頻采用的是高本振方案，本振一輸出的信號(hào)以500kHz步進(jìn)遞進(jìn)，輸出頻率比射頻輸入信號(hào)頻率高827MHz。

第一級(jí)混頻器輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)827MHz的窄帶聲表濾波器進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過放大后輸入到第二級(jí)混頻器中，與第二級(jí)本振信號(hào)進(jìn)行混頻處理。第二級(jí)混頻采用的是低本振方案，本振二輸出的信號(hào)以1kHz步進(jìn)遞進(jìn)，輸出頻率在757MHz左右。

第二級(jí)混頻器輸出的70MHz附近的中頻信號(hào)經(jīng)過濾波放大處理后作為最終輸出信號(hào)使用。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)發(fā)生模塊

信號(hào)發(fā)生模塊是采用的是RFMD公司的RFFC5071A芯片來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。RFFC5071A是一款集成了VCO功能的頻率綜合器芯片，能在85MHz～4200MHz的覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.5Hz的頻率步進(jìn)。RFFC5072采用Si CMOS工藝設(shè)計(jì)，在3V的工作電壓下最大功耗不超過400mW，滿足小型化和低功耗的設(shè)計(jì)要求。

在跟蹤接收機(jī)設(shè)置為自檢工作模式時(shí)，開關(guān)芯片在控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下切換到信號(hào)發(fā)生模塊通路，此時(shí)信號(hào)發(fā)生模塊處于激活狀態(tài)，配合軟件設(shè)置，能夠分別輸出L頻段和C頻段的任意頻點(diǎn)作為自檢信號(hào)以供系統(tǒng)測試使用。在跟蹤接收機(jī)處于正常工作模式時(shí)，開關(guān)芯片切換到射頻輸入通路，通過軟件設(shè)置，信號(hào)發(fā)生模塊進(jìn)入到待機(jī)工作狀態(tài)。在待機(jī)工作狀態(tài)下，RFFC5071無信號(hào)輸出，配合開關(guān)芯片的隔離功能，能有效避免自檢模塊信號(hào)對(duì)正常射頻通道輸入信號(hào)的干擾。

3.2 本振一單元

本振一單元的主要功能是輸出一個(gè)LO信號(hào)，配合混頻器將射頻信號(hào)搬遷到第一級(jí)中頻827MHz。本振一單元實(shí)現(xiàn)框圖如圖二所示：

系統(tǒng)在第一級(jí)混頻處理時(shí)選用的是高本振方案，所以本振一單元的輸出頻率為射頻輸入信號(hào)頻率+827MHz。本振一單元中的頻率綜合器采用的是AD公司的ADF4350芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，周圍集成一些其他芯片電路作為輔助，實(shí)現(xiàn)兼容L頻段和C頻段不同范圍的頻率輸出要求。ADF4350是一款集成了VCO功能的頻率綜合器芯片，在內(nèi)置分頻器的配合下能實(shí)現(xiàn)137.5MHz～4400MHz的頻率輸出覆蓋。

⑴系統(tǒng)工作在L頻段：當(dāng)系統(tǒng)工作在L頻段時(shí)，本振一單元的頻率輸出范圍為：1777MHz～2577MHz，ADF4350的輸出范圍可以直接完成對(duì)此頻率范圍的覆蓋。此時(shí)開關(guān)芯片在程序的控制下，切換到L通路，頻綜輸出的頻率信號(hào)經(jīng)過L通路的帶通濾波器處理后，放大輸出至混頻器。

⑵系統(tǒng)工作在C頻段：當(dāng)系統(tǒng)工作在C頻段時(shí)，本振一單元的頻率輸出范圍為3027MHz～4627MHz，ADF4350的輸出范圍無法完整覆蓋這個(gè)頻段。所以在實(shí)際使用中，選擇ADF4350輸出1513.5MHz～2313.5MHz。此時(shí)開關(guān)芯片在程序的控制下，切換到C通路，頻綜輸出的頻率經(jīng)過放大處理后送給倍頻器芯片，然后經(jīng)帶通濾波、放大處理后輸出至混頻器。

3.3 第二級(jí)混頻單元（集成本振二）

第二級(jí)混頻單元的功能是將濾波處理后的第一級(jí)中頻信號(hào)變頻到70MHz，本方案采用RFMD公司的RFFC2072A芯片完成這部分功能。RFFC2072A是一款集本振模塊、混頻模塊于一體的射頻芯片，它能夠在85MHz～2700MHz的頻率輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.5Hz步進(jìn)頻率遞進(jìn)，內(nèi)置的混頻模塊可以工作在30MHz～2700MHz頻率范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

RFFC2072A內(nèi)置的本振模塊是一款基于小數(shù)分頻技術(shù)設(shè)計(jì)的頻率綜合器，先進(jìn)的設(shè)計(jì)工藝以及技術(shù)，使其輸出的頻率具有出色的相位噪聲性能和雜散性能。單片化的設(shè)計(jì)方案不僅能減小功耗和設(shè)計(jì)尺寸，也能有效的增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4 印制板的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

印制板是采用FR-4材質(zhì)的6層電路板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)盒體尺寸為70mm×50mm×10mm。由于系統(tǒng)采用多層板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并且盒體空間狹小，電路中的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)共存，頻率分量十分豐富，這就對(duì)系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)提了很高的要求。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用ADS軟件對(duì)位于不同層上的不同頻率段的信號(hào)分別進(jìn)行了參數(shù)仿真，并用Cadence軟件對(duì)印制板電路進(jìn)行信號(hào)完整性分析，盡可能的減小信號(hào)在走線過程中由于阻抗失配產(chǎn)生的輻射。每個(gè)芯片都盡量采取獨(dú)立電源模塊供電，芯片的供電管腳附近就近連接了豐富的電容進(jìn)行濾波處理，并將電源層獨(dú)立劃分出來，以避免干擾信號(hào)在電源回路上的竄擾。

4 結(jié)論

本文介紹了一種數(shù)字跟蹤接收機(jī)的中頻單元設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案在軟件配置下，能夠兼容C頻段和L頻段的射頻輸入信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過不斷的實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)， 該中頻單元各項(xiàng)參數(shù)均能滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。采用本方案設(shè)計(jì)的數(shù)字跟蹤接收機(jī)已經(jīng)在工程中應(yīng)用，性能穩(wěn)定可靠。

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