一种双载波收发信机的设计与实现

何　骥，高红山

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



一种双载波收发信机的设计与实现

何骥，高红山

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要为了获得更好的传输能力和抗干扰能力，提出了一种双载波收发信机的设计思路。采用矢量乘法器和正交解调器等通用芯片进行了电路实现，给出了上下行链路射频变换部分的实现方法和技术要点。对发射单元和接收单元进行了仿真，并对电路进行了优化。结合电路实现和测试，验证了接收端正确分离、解调2路载波上调制信号的能力。提供了一种在降低系统复杂度、减小体积功耗要求的前提下，增加系统接收能力和应用灵活性的设计与实现方法。

关键词BPSK；正交解调器；射频变换；双载波传输

Design and Implementation of a Double-carrier Transceiver

HE Ji,GAO Hong-shan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractTo acquire the capabilities of stable transmission and anti-interference,this paper puts forward a design concept of double-carrier transceiver.The circuit design is implemented by using vector multiplier and quadrature demodulator.The implementation method and technical parameters of RF transformation in uplink and downlink are presented.The simulation is performed for transmitting unit and receiving unit,and the optimization is performed for circuit.The test results show that the data can be received correctly from the two carriers,and the system can meet the expected requirement of specifications.The design not only simplifies the complexity of the system,decreases the volume and power consumption,but also improves the receiving capability and application flexibility.

Key wordsBPSK;quadrature demodulator;RF transform;double-carrier transmission

0引言

在某些应用中，需要将信息在不同的载波频率上发出，在接收端同时接收不同载波信号，处理获得的2路发端信息并加以判断，使得接收端能够更加可靠地接收信息。传统的解决方式是在发端使用2套发射电路，将基带信号分别调制变换到不同的载波频率上发射出去；对应地在接收端，使用2套接收电路分别工作在2个载波频率上，对射频信号进行下行频率变换和解调，恢复出基带信号。

在本研究中，由于应用场景和平台的限制，对于信道单元的小型化、低成本特别是体积重量方面都有明确的要求，传统方式无法适应需求，而随着数字处理技术[1]和元器件生产工艺水平的提升，高性能、小型化的电子通信系统在工程实现中成为可能也是追求的目标，针对这样的背景，设计研制了一种简单、可靠的收发信机电路，利用矢量乘法器和正交解调器配合数字信号处理技术，分别在一套硬件电路上实现双载波的发射和接收。

1方案设计

1.1发射电路设计

研制的双载波发射单元射频工作频段[2]为250～450 MHz，采用二次变频方式完成基带信号至射频信号变换，发射电路框图如图1(a)所示。

图1　电路设计框图

在频域上，经射频变换后生成的2路载波信号以射频本振信号为中心对称分布，射频振荡器频率决定射频信号的工作频段，中频振荡器频率决定2个射频载波之间的频率间隔。

1.2接收电路设计

接收电路同样采用二次变频方式，射频信号分为上下2个支路分别进行接收信号处理，电路框图如图1(b)所示。

接收的射频信号经分路后首先进行射频下变频，射频振荡器输出的本振信号经过处理后形成正交的2路信号分别进入上下支路的射频混频器进行混频，混频后的输出信号经过带通滤波器后进入中频混频器，与前级相同，中频振荡器输出的本振信号经过处理后形成正交的2路信号，分别进入上下支路的中频混频器进行混频，混频后的输出信号经过低通滤波器后，将2路信号分别进行相加和相减，完成2路载波信号的调制信息分离，再分别进行自相关解调[4]形成2路基带信号，图1(b)中基带信号1对应高端载波的解调信号，基带信号2对应低端载波的解调信号。

2实现关键点

2.1发射电路实现

发射电路的实现关键点在射频变换的实现，无线电收发系统中的主要功能单元是混频器，它的工作质量确定无线电系统的大多基本参数。本电路中，射频混频器需特别关注本振抑制、杂散以及2路载波的平衡输出。

发射电路射频变换主要使用的器件包括矢量乘法器、频率综合器及其他辅助器件，矢量乘法器作为混频器件选用的是ADL5390。

ADL5390是一款双通道向量乘法器，适用于宽带无线接入系统、微波无线电链路以及手机基础设施设备中的中频(IF)与射频(RF)发射机。ADL5390的工作频率范围为20 MHz～2.4 GHz，可接收2个输入信号，在输出端提供其加和信号，支持每通道调节。

发射机射频变换电路如图2所示，中频信号经滤波后从ADL5390的INMQ、INPQ和INPI以及INMI引脚接入，射频振荡器使用Silicon Labs的Si57X系列可编程频率综合器[5]。频率综合器产生的本振信号进入ADL5390的QBBP、QBBM和IBBP以及IBBM引脚，频率控制通过单片机编程实现，控制接口协议为I2C。

图2　收发电路射频变换部分实现

中频输入信号和射频载频信号的引线在PCB制版设计时须注意保持2路通道长度一致，以保证良好的相位一致性。ADL5390的射频输出信号通过1∶1的宽带巴伦传输线变压器输出，实现50 Ω阻抗匹配。

2.2接收电路实现

接收电路的实现关键点同样是射频变换的实现部分，它完成接收信号的首次分离，必须保证2路信号的正交性以及各自信号处理过程中的相位一致性[6,7]。

接收电路射频变换主要使用的器件包括正交解调器、频率综合器、带通滤波器及其他辅助器件，正交解调器作为混频器件选用的是AD8348。

AD8348是用于射频及中频正交解调(QAM/QPSK)的高带宽解调器，其解调带宽为75 MHz，解调范围为50～1 000 MHz，可调范围为44 dB，相位精度可达0.5°，广泛运用于W-CDMA、GSM以及有线数字电视解调电路中。

接收机射频变换电路如图2所示，接收电路的射频振荡器同样使用Silicon Labs的Si57X系列可编程频率综合器，频率控制通过单片机编程实现，输出频率数值是实际所需射频本振频率的2倍。频率综合器产生的本振信号通过AD8348的LOIP、LOIN引脚隔直耦合引入，在AD8348芯片内实现2分频和移相处理。

AD8348引脚IFIP、IFIN间阻抗为200Ω，需要通过一个1:4的宽带射频变压器引入射频输入信号。射频变换后的信号分别通过2个带通滤波器完成中频信号的选择，再经过AD8348的末级放大后输出。

3系统仿真

仿真实现使用NI Multisim10电路仿真软件。Multisim10是一款电路仿真设计软件，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程，仿真设计更精确、可靠。具有强大的电路分析能力，有时域和频域分析等电路分析方法。

3.1发射单元

发射电路中频调制仿真波形如图3所示，仿真软件示波器里，上部显示的是信道编码信号，下部显示的是调制后中频信号波形。

图3　发射电路中频调制及射频变换仿真

图3中还给出了发射电路射频变换仿真频谱图，使用软件提供的仿真频谱仪可以观察射频变换后形成的双载波信号的频谱成分。

3.2接收单元

接收电路仿真图如图4所示，接收信号在2条支路上经过2次混频，在末端通过相加和相减分离出2个信号，示波器显示的上部为第1路信息信号，下部为第2路信息信号。

图4　接收电路仿真

4测试结果分析

4.1发射链路

需要传输的基带数字信息经过信道编码、调制后与中频本振信号进行混频，混频后的信号经过带通滤波器滤除带外信号[8]，避免对邻带信号产生干扰，图5中测试项一为使用LeCroy 104Xi-AXX型号示波器观察到的中频信号波形图。

图5　发射波形检测

从波形图可以清楚看到，相位的跳变对应着基带数据0，1变换，这是BPSK调制的显著特征，与仿真结果一致。

图5中测试项二为使用R&S的FSH8频谱分析仪观察的ADL5390射频输出信号频谱图，该信号为进入功率放大器[9]前信号，接入频谱仪前经过30 dB衰减。从频谱图上可以看到，经ADL5390完成上行射频变换后，对射频本振信号进行较好的抑制，输出的2个载波信号电平比较一致，幅度差值<1 dBm，对交调抑制也较好。

4.2接收链路

接收信号经过AD8348完成射频变换后输出到外部中频滤波器进行中频信号选择，图6中测试项一为使用LeCroy 104Xi-A示波器观察到的滤波后的中频信号波形。从信号波形上可以看出叠加了噪声。

图6　接收波形检测

经过中频变换后的信号，通过低通滤波器后，对2路信号分别进行加减运算，分离出上、下载波携带的调制信号，图6中测试项二所示为上下2路信号经低通滤波后的波形(C2、C3)，以及2路信号进行加、减运算后的波形(F1、F2)。F1为2路波形相减结果，F2为2路波形相加结果。

从图6中所示的波形结果看，经过加、减处理后分离出的2路信号所携带的相位信息清晰，后端接收解调电路[10]能够正确恢复基带信号1和基带信号2。实际测试结果是解调后得到了正确的数字基带信号。

5结束语

设计了一种利用矢量乘法器和正交解调器实现的双载波收发信机，完成了设备硬件电路的设计、频率综合器自动控制和数字FIR滤波[11,12]软件设计，实现了业务信息在2个载波上的同时发送和接收。经过测试，2个载波上的信息均能正确接收，增加了系统接收可靠性，提高了灵活应用能力。系统实现方式简单，配合数字信号处理技术能够支持更多的信号收发应用模式。

参考文献

[1]PROAKIS John G．数字通信(第4版)[M]．张力军，张宗橙，郑宝玉，等，译．北京：电子工业出版社，2003．

[2]杨建，任香凝，牛桂兵．战术电台多波形技术分析[J]．无线电通信技术，2011，37(6)：11-13，46．

[3]樊昌信，曹丽娜．通信原理(第6版)[M]．北京：国防工业出版社，2006：85-235．

[4]刘伟，邹传云．基于判决自相关超宽带接收机研究[J]．工程实践及应用技术，2009，36(6)：49-52．

[5]龙光利．一种2DPSK调制解调电路的CPLD设计[J]．电讯技术，2008(4)：29-31．

[6]王钢，刘毅鹏．BPSK载波同步技术的研究[J]．通信技术，2003，133(1)：21-22．

[7]蔡鹏飞，李青平，杨懿，等.基于谐波混频技术的宽带频综的设计[J]．无线电通信技术，2013，39(4)：73-75．

[8]张倩茹，殷奎喜，赵华，等．BPSK信号的平滑化方法及其比较[J]．信息化研究，2010(1)：12-15．

[9]陈亮名，杨昆．基于宽带增益的放大器设计[J]．电子设计工程，2014，22(15)：146-148．

[10]张维良，张彧，杨再初，等．高速并行FIR滤波器的FPGA实现[M]．系统工程与电子技术，2009，31(8)：1 819-1 820．

[11]段佳佳，樊龙龙，张波涛．基于MATLAB的FIR滤波器设计[J]．电子测试，2011(8)：19-21．

[12]程佩青．数字信号处理教程(第2版)[M]．北京：清华大学出版社，2001：202-440．

何骥男，(1966—)，高级工程师。主要研究方向：通信系统与网络。

高红山男，(1979—)工程师。主要研究方向：通信系统与网络。

作者简介

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61302074)；国家部委基金资助项目(B1120110001)。

收稿日期：2015-12-15

中图分类号TN919

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0071-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.20

引用格式：何骥,高红山.一种双载波收发信机的设计与实现[J].无线电工程,2016,46(3):71-74.