225~400MHz宽带跳频收发模块的设计

张渊 张立冬 孙振超

摘  要： 跳频通信是无线通信领域抗干扰的重要措施，为了提高信号在空中传输过程中的抗干扰、抗截获能力，确保电台能够提供高速、安全的数据通信，设计的225～400 MHz宽带跳频收发模块由混频器、宽带跳频滤波器和放大器等模拟电路组成，具有较宽的频段，中心频率能够随时、随机变化等特点，运用在跳频电台中使无线信号传输的隐蔽性更好、频带更宽、抗干扰能力更强。

关键词： 模块设计; 中心频率变化; 宽带跳频; 抗干扰; 收发模块; 无线通信设备

中图分类号： TN914.41?34                      文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）19?0015?03

Abstract： Frequency?hopping communication is an important anti?interference measure in the field of wireless communication. In order to improve the anti?interference and anti?interception ability of signals transmitted in the air， and ensure that the radio station can provide high?speed and safe data communication， the 225～400 MHz broadband frequency?hopping transceiving module is designed in this paper. The broadband frequency?hopping transceiving module consists of mixer， broadband frequency?hopping filter and amplifier analog circuits， and has the characteristics that its frequency range is wide， and its central frequency can be changed randomly at any time ， which make the wireless signals transmission more covert， broadband wider and anti?interference ability stronger in frequency?hopping radio.

Keywords： module design; central frequency change; broadband frequency?hopping; anti?interference; transceiving module; wireless communication device

0  引  言

21世纪无线通信系统面临越来越复杂的电磁环境，频带拥挤也日益严重[1]。无线通信设备需要面对更加复杂苛刻的环境要求。宽带跳频电台作为通信中的重要载体必须具备更加突出的抗干扰能力和适应能力[2]。在未来的高科技战争中，通信装备将处于复杂的电磁环境中，没有抗干扰能力或抗干扰能力弱的装备将不可能保障通信的正常进行。为此，世界各国军队都十分重视战场电磁环境条件下保障自身的有效通信[3]。随着通信技术和新型元器件的发展，各国军方不断加速对新的抗干扰通信方式的研究。宽带跳频收发模块具有较宽的频段，中心频率能够随时、随机变化等特点，运用在无线通信设备中使数据的传输更加高效可靠[4] 。

1  宽带跳频收发模块的方案设计

本文设计的宽带跳频收发模块运用在超短波电台中，其射频工作频率在225～400 MHz范围内可调，发射增益大于57 dB，全频段功率能力大于10 W，内含ALC增益控制，谐波抑制二次、三次70 dB双天线输出，接收部分有收发开关和限幅功能。宽带跳频收发模块主要由功率放大器、跳频滤波器、收发开关、接收链路、温度检测电路及相关控制电路组成，完成收发载波的传输，并且根据控制信息对微波收发各单元进行控制检测。模块组成原理框图如图1所示。

1.1  性能指标

该模块将来自收发信道单元的射频信号放大滤波后，送天线口发射出去，并将天线接收到的射频信号通过收发开关后送收发信道单元。性能指标如表1所示。

1.2  接收部分方案設计

天线接收无线空间中的信号，接收到的信号经过宽带跳频收发模块放大滤波后送至核心处理模块，其将射频信号变换到零中频信号，并进行滤波、解调等处理。接收部分原理框图如图2所示。

1.3  发射部分方案设计

宽带跳频收发模块接受核心处理模块的控制，对来自收发信道单元的射频信号功率进行放大，当收发控制信号电平为高时，射频信号送入宽带跳频收发模块，经过功率耦合检测、谐波滤波处理后通过天线辐射到无线空间。发射部分原理框图如图3所示。

1.4  跳频部分软件方案设计

模块跳频控制方式：串口发送频率代码，换频率脉冲更新当前最新频率。通信接口采用TTL串行通信。串口波特率为115 200 b/s，每字节1个起始位、8个数据位、无校验位、1个停止位。高字节在前，低字节在后。串口数据帧由帧头、命令、数据长度、数据、校验和、帧尾组成。模块实际工作频率设置为：225 MHz+FRE*25 kHz，FRE取值0～8 000。如表2所示。

2  核心器件的设计

2.1  宽带跳频滤波器的设计

在跳频滤波器的设计中需考虑225 MHz频点以及400 MHz频点的覆盖，使两个滤波器在衔接点相互覆盖。如225～400 MHz频段实际可控的最高频点为405 MHz，225～400 MHz频段实际可控的最低频点为220 MHz。以225～400 MHz为例，其实际频段覆盖为220～405 MHz。由于级间耦合不可避免会在跳频范围内波动，因此，选择频点230 MHz满足相对带宽的设计级间耦合系数。频率相位、传输曲线仿真分别如图4，图5所示。

当滤波器的中心频率不发生变化时，可以看出随着器件品质因数的增加滤波器的损耗逐渐降低，滤波器的通带带宽也随之增加，驻波也发生比较明显的恶化。如果元器件的品质因数不够大，会在截止频率范围内使频率响应变得圆滑不利于提高滤波器的抑制，有限值也会引起自谐振附近的抑制，将会使滤波器的通带损耗增加。回损、损耗仿真如图6所示。

为了满足性能指标中要求二次/三次谐波输出大于70 dBc。从应用实例中得知功放的谐波输出小于-25 dBc，那么滤波器阻带抑制需要大于50 dB。根据相关调试经验，在实际电路中滤波器的损耗比软件仿真少5 dB，因此滤波器的阻带抑制要大于50 dB。

2.2  收发开关的设计

通过收发转换开关电路得到收发开关损耗为0.3 dB，跳频滤波器损耗为3.5 dB，限幅器损耗为0.2 dB，低噪放增益约为18 dB，模块接收电路总增益大于14 dB。因此，收发开关发射损耗小于0.3 dB，接收损耗小于0.3 dB，接收支路的噪声系数小于4.5 dB。收发开关的原理如图7所示。

3  测试结果

本文设计的宽带跳频收发模块运用在超短波电台中，其射频工作频率在225～400 MHz之间频点可调，为了验证其相关性能指标在空间无遮挡条件下拉开20 km，进行双向收发数据的无线通信实验。实验结果证明，本文收发模块信道波形平整、抗干扰能力强、传输延时小，能在复杂的电磁环境条件下保障自身的有效通信。20 km接收波形实测图如图8所示。

4  结  语

本文设计的225～400 MHz宽带跳频滤波模块具有较宽的频段，中心频率能够随时、随机变化等特点，运用在跳频电台中能够获得比较稳定的5 MHz带宽并保持一定的增益。为设计其他频段的跳频滤波模块提供参考。

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