基于VPX的多模多頻段微波收發(fā)組件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：微波收發(fā)組件是通信系統(tǒng)中的重要部分，本文設(shè)計(jì)了一種基于VPX技術(shù)的多模多頻段微波收發(fā)組件，采用了VPX標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了其通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。組件用于多種模式多種頻段的軟件無(wú)線電通信系統(tǒng)，系統(tǒng)用于無(wú)線傳輸高清視頻圖像。該組件接收噪聲系數(shù)：≤1.8?dB，ACPR：≤-35?dBc，發(fā)射功率以及各次諧波抑制等均達(dá)到指標(biāo)要求，滿足通信系統(tǒng)的實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞：VPX；多頻段；收發(fā)組件；軟件無(wú)線電

VPX 總線是在 VME 總線基礎(chǔ)上提出的新一代高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求復(fù)雜、數(shù)據(jù)速率高的應(yīng)用環(huán)境，而且可以滿足多核多 CPU( 中央處理器 ) 計(jì)算，以及 DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）數(shù)據(jù)處理，結(jié)合高性能 FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列邏輯）），是國(guó)防及航空領(lǐng)域應(yīng)用中模塊化處理平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì) ^[1]?；诖耍疚脑O(shè) 計(jì)了一種多模多頻段微波收發(fā)組件，用于多種模式多種 頻段的寬帶軟件無(wú)線電通信系統(tǒng)。接收噪聲系數(shù)和發(fā)射 功率等均達(dá)到指標(biāo)，滿足通信系統(tǒng)的工作要求。

1 微波收發(fā)組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 組件方案設(shè)計(jì)

微波收發(fā)組件擁有獨(dú)立的收發(fā)通道，收通道對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行濾波、混頻、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換 ^[2]；發(fā)通道對(duì)數(shù) 字 I/Q 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。 微波收發(fā)組件通過(guò) SRIO（Serial Rapid I/O，串行高速 I/O）接口與圖像信號(hào)處理組件進(jìn)行 I/Q 數(shù)據(jù)交互，通過(guò) SMA（SubMiniature version A）接口與天線和多工器進(jìn) 行射頻信號(hào)交互。

1.2 指標(biāo)要求

工作頻率：300-400 MHz，1 400-1 500 MHz， 1 700-1 800 MHz。

自動(dòng)增益調(diào)節(jié)范圍≥ 60 dB（不包含 AD9371 內(nèi)部的增益調(diào)節(jié)）。

噪聲系數(shù)：≤ 1.8 dB。

抗燒毀能力：37 dBm 功率輸入 5 分鐘時(shí)，接收機(jī)不損壞。

輸出平均功率：≥ 8 W（300-400 MHz），≥ 4 W （1 400-1 500 MHz），≥ 1 W（1 700-1 800 MHz）。

ACPR：≤ -35 dBc( 中心頻率 10 MHz 偏移，8 MHz 信號(hào)帶寬 )。

二次諧波抑制：≥ 40 dBc；三至五次諧波抑制： ≥ 70 dBc；其他諧波：≥ 60 dBc。

收發(fā)切換時(shí)間：≤ 3.0 μs。

1.3 組件硬件設(shè)計(jì)

微波收發(fā)組件由大信號(hào)板和小信號(hào)板組成，通過(guò)板間連接器垂直相接，板間有金屬屏蔽腔體隔離。依照 VPX 標(biāo)準(zhǔn)，采用 3U 標(biāo)準(zhǔn)的 VPX 板卡架構(gòu)對(duì)該單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖 1 所示。

在發(fā)射模式下，小信號(hào)板主要用于將 SRIO 輸入的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字模擬變換，變換后的零中頻信號(hào)直接通過(guò)正交上變頻輸出到對(duì)應(yīng)的射頻頻段，再通過(guò)射頻前端對(duì)其進(jìn)行功率放大后輸出。

在接收模式下，外部輸出的小信號(hào)，先經(jīng)過(guò)大信號(hào)板的低噪放進(jìn)行放大，從而確保收到的小信號(hào)的信噪比在后級(jí)相關(guān)處理后不至于進(jìn)一步降低。放大后的信號(hào)進(jìn)入小信號(hào)板，分別經(jīng)過(guò)下變頻，中頻濾波后進(jìn)入 AD 器件進(jìn)行零中頻下變頻并 AD 采樣。采樣的數(shù)據(jù)通過(guò) SRIO 通道送入圖像信號(hào)處理組件進(jìn)行解調(diào)分析。

1.3.1 小信號(hào)板設(shè)計(jì)

小信號(hào)板原理框圖如圖 2 所示，總體分為發(fā)射和接收通路。發(fā)射采用零中頻方案。SRIO 輸入的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) FPGA 轉(zhuǎn)換后，再采用 AD9371 進(jìn)行數(shù)模變換后通過(guò)巴倫和開關(guān)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)放大器中，信號(hào)放大后進(jìn)入濾波器，最后通過(guò)單刀四擲開關(guān)經(jīng)過(guò)垂直互聯(lián)射頻口進(jìn)入大信號(hào)板。

圖 2小信號(hào)板原理框圖

接收采用超外差接收機(jī)電路方案，通過(guò)兩次變頻將接收到的 300-400 MHz 和 1 400-1 800 MHz 射頻信號(hào)變到零中頻基帶信號(hào)（I&Q 信號(hào)）進(jìn)行后續(xù)處理。300- 400 MHz 射頻信號(hào)通過(guò)低噪放、數(shù)控可調(diào)衰減器、調(diào)諧濾波、放大進(jìn)入第一混頻器 RFFC2071，該混頻器本振頻率 1 130-1 230 MHz 掃頻，信號(hào)頻率變?yōu)?830 MHz 固定中頻（IF）；再通過(guò)中頻濾波放大，進(jìn)入正交解調(diào)器 AD9371，該正交解調(diào)器本振頻率為 830 MHz，得到零中頻基帶信號(hào)（I&Q 信號(hào)），通過(guò)開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)不同 中頻帶寬的輸出。通過(guò)耦合器和檢波器實(shí)現(xiàn)通道功率電平的檢測(cè)，完成自動(dòng)增益的控制。

同理地，高頻 1 400-1 800 MHz 射頻信號(hào)通過(guò)低噪放放大后進(jìn)入數(shù)控可調(diào)衰減器，數(shù)控可調(diào)衰減器可以根據(jù)信號(hào)大小調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，增大了接收路動(dòng)態(tài)范圍。然后信號(hào)再通過(guò)調(diào)諧濾波、放大進(jìn)入第一混頻器 RFFC2071，該混頻器本振頻率 2 230-2 630 MHz 掃頻，信號(hào)頻率變?yōu)?830 MHz 固定中頻；再通過(guò)中頻（IF）濾波放大，進(jìn)入正交解調(diào)器 AD9371，該正交解調(diào)器本振頻率為 830 MHz，得到零中頻基帶信號(hào)（I & Q 信號(hào)），通過(guò)開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)不同中頻帶寬的輸出。

最后基帶信號(hào)通過(guò) AD9371 的 JESD204B 接口輸出，經(jīng)過(guò) FPGA 轉(zhuǎn)換為 SRIO 高速接口與 VPX 背板上圖像信號(hào)處理組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而完成視頻圖像信號(hào)的解析。

1.3.2 大信號(hào)板設(shè)計(jì)

小信號(hào)板的信號(hào)通過(guò)板間垂直射頻連接器進(jìn)入大信號(hào)板，進(jìn)入 SP4T 射頻開關(guān)根據(jù)頻段和功能分別切換進(jìn)入不同通路。大信號(hào)板原理框圖如圖 3 所示，總體分為發(fā)射和接收通路。

發(fā)射信號(hào)分別進(jìn)入高頻或低頻大信號(hào)功放，經(jīng)過(guò)功放放大后進(jìn)入 LC 濾波器進(jìn)行濾波，主要濾除各次諧波分量。對(duì)于低頻功放，為滿足 8 dB 峰均比的信號(hào)發(fā)射需求，8 W 輸出的功率應(yīng)采用 1 dB 壓縮點(diǎn) 100 W 的 LDMOS 管進(jìn)行設(shè)計(jì)確保；對(duì)于高頻功放，為滿足 8 dB峰均比的信號(hào)發(fā)射需求，4 W 輸出的功率應(yīng)采用 1 dB 壓縮點(diǎn)為 40 W 的 LDMOS 管進(jìn)行設(shè)計(jì)確保。在此功率輸出情況下，所選高頻和低頻功放管的 ACPR 指標(biāo)均小于 -40 dBc，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

接收信號(hào)經(jīng)過(guò) SP4T 射頻開關(guān)經(jīng)過(guò)限幅器，限幅器主要用于保護(hù)接收電路，削弱大功率接收信號(hào)，可以滿足抗燒毀能力 ^[3]。經(jīng)過(guò)限幅器后再進(jìn)入低噪放放大，然后進(jìn)入小信號(hào)板。

信號(hào)通過(guò)前級(jí)微帶耦合器耦合進(jìn)入小信號(hào)板的 AD9371 觀測(cè)口（ORX），從而對(duì)天線口信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.3.3 組件PCB設(shè)計(jì)

微波收發(fā)組件有數(shù)字電路和模擬電路兩部分。按照不同電路類型，將他們分開布局，這樣有利于最后地的分割，數(shù)字地緊貼在數(shù)字電路下方，模擬地緊貼在模擬電路下方 ^[4]。這樣有利于信號(hào)的回流和兩種地平面之間的穩(wěn)定。

布局布線時(shí)遇到走線困難，需要靈活調(diào)整器件位置，如大信號(hào)板射頻開關(guān)為了布局走線需要將其旋轉(zhuǎn)一定角度，既節(jié)省了空間，也使走線更加平直。

微波收發(fā)組件中內(nèi)部進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，大信號(hào)和小信號(hào)用金屬隔腔進(jìn)行隔離防止信號(hào)內(nèi)部互相串?dāng)_，影響功能性能 ^[5]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，為滿足產(chǎn)品性能、重量和屏蔽的要求，殼子采用鋁材制作。采用標(biāo)準(zhǔn) 3U VPX 導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)，所有尺寸按照系統(tǒng)要求尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，在印制板設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮器件的布局布線以滿足尺寸要求。

3U VPX 模塊中有些器件（主要為集成電路和功率器件）的熱功耗較大，因此對(duì) 3U VPX 模塊的屏蔽盒結(jié)構(gòu)做了特殊設(shè)計(jì)，將熱功耗較大的位置做凸起設(shè)計(jì)（如圖 4 所示），金屬凸起與與器件表面之間的間距保持在 0.8 mm，在裝配前，在器件表面覆蓋一層厚度為 1 mm 的導(dǎo)熱硅片，裝配后導(dǎo)熱硅片被壓縮，使得屏蔽盒、導(dǎo)熱硅片、元器件充分緊配，有良好的熱接觸。

3U VPX 模塊兩側(cè)的鎖緊條選用 5 段式熱傳導(dǎo)專用的鎖緊條，表面平整度可達(dá)到 0.1，最大限度增大了與機(jī)箱導(dǎo)軌的有效接觸面積，減小熱阻。同時(shí)，鎖緊條表面進(jìn)行了黑色陽(yáng)極氧化，能夠高效地將模塊其他區(qū)域的熱量吸引至鎖緊條，通過(guò)導(dǎo)軌傳遞至整個(gè)機(jī)箱。

3 組件的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果

將 PCB 板加工生產(chǎn)，裝配入組件，分別使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該組件 ACPR：≤ -35 dBc，噪聲系數(shù)：≤ 1.8 dB， 收發(fā)切換時(shí)間：≤ 3.0 μs，各次諧波抑制以及發(fā)射功率，抗燒毀能力均達(dá)到指標(biāo)要求，滿足通信系統(tǒng)的實(shí)際要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要研究基于 VPX 的多模多頻段微波收發(fā)組件，通過(guò)前期調(diào)研和系統(tǒng)分析進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，驗(yàn)證方案的可行性，在保證組件性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)通用化。根據(jù)指標(biāo)要求，在指定頻段內(nèi)，組件滿足接收噪聲系數(shù)、ACPR、發(fā)射功率、收發(fā)切換時(shí)間、諧波抑制的要求，具有一定的創(chuàng)新性實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 安效君.基于VPX的高速跳頻信號(hào)接收處理平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2021(7):44-46.

[2] 趙旺.北斗導(dǎo)航授時(shí)終端模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社,2020:16-23.

[3] 吳喆.基于SIP的射頻寬帶收發(fā)前端關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué),2018.

[4] 張振,范如,羅俊.一種S波段平衡式限幅低噪聲放大器設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2012,42(4):463-467.

[5] POZAR D M.微波工程[M].張肇儀,周樂(lè)柱,吳德明,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)