基于VPX的多模多頻段微波收發(fā)組件設(shè)計與實現(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線電通信系統(tǒng)，系統(tǒng)用于無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到指標(biāo)要求，滿足通信系統(tǒng)的實際要求。

關(guān)鍵詞：VPX；多頻段；收發(fā)組件；軟件無線電

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 ) 計算，以及 DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理）數(shù)據(jù)處理，結(jié)合高性能 FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程陣列邏輯）），是國防及航空領(lǐng)域應(yīng)用中模塊化處理平臺的發(fā)展趨勢 ^[1]。基于此，本文設(shè) 計了一種多模多頻段微波收發(fā)組件，用于多種模式多種 頻段的寬帶軟件無線電通信系統(tǒng)。接收噪聲系數(shù)和發(fā)射 功率等均達到指標(biāo)，滿足通信系統(tǒng)的工作要求。

1 微波收發(fā)組件的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 組件方案設(shè)計

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

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，接收機不損壞。

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)切換時間：≤ 3.0 μs。

1.3 組件硬件設(shè)計

微波收發(fā)組件由大信號板和小信號板組成，通過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)對該單元進行設(shè)計，如圖 1 所示。

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

在接收模式下，外部輸出的小信號，先經(jīng)過大信號板的低噪放進行放大，從而確保收到的小信號的信噪比在后級相關(guān)處理后不至于進一步降低。放大后的信號進入小信號板，分別經(jīng)過下變頻，中頻濾波后進入 AD 器件進行零中頻下變頻并 AD 采樣。采樣的數(shù)據(jù)通過 SRIO 通道送入圖像信號處理組件進行解調(diào)分析。

1.3.1 小信號板設(shè)計

小信號板原理框圖如圖 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 FPGA 轉(zhuǎn)換后，再采用 AD9371 進行數(shù)模變換后通過巴倫和開關(guān)進入驅(qū)動放大器中，信號放大后進入濾波器，最后通過單刀四擲開關(guān)經(jīng)過垂直互聯(lián)射頻口進入大信號板。

圖 2小信號板原理框圖

接收采用超外差接收機電路方案，通過兩次變頻將接收到的 300-400 MHz 和 1 400-1 800 MHz 射頻信號變到零中頻基帶信號（I&Q 信號）進行后續(xù)處理。300- 400 MHz 射頻信號通過低噪放、數(shù)控可調(diào)衰減器、調(diào)諧濾波、放大進入第一混頻器 RFFC2071，該混頻器本振頻率 1 130-1 230 MHz 掃頻，信號頻率變?yōu)?830 MHz 固定中頻（IF）；再通過中頻濾波放大，進入正交解調(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（I&Q 信號），通過開關(guān)控制實現(xiàn)不同 中頻帶寬的輸出。通過耦合器和檢波器實現(xiàn)通道功率電平的檢測，完成自動增益的控制。

同理地，高頻 1 400-1 800 MHz 射頻信號通過低噪放放大后進入數(shù)控可調(diào)衰減器，數(shù)控可調(diào)衰減器可以根據(jù)信號大小調(diào)節(jié)信號強度，增大了接收路動態(tài)范圍。然后信號再通過調(diào)諧濾波、放大進入第一混頻器 RFFC2071，該混頻器本振頻率 2 230-2 630 MHz 掃頻，信號頻率變?yōu)?830 MHz 固定中頻；再通過中頻（IF）濾波放大，進入正交解調(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（I & Q 信號），通過開關(guān)控制實現(xiàn)不同中頻帶寬的輸出。

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

1.3.2 大信號板設(shè)計

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

發(fā)射信號分別進入高頻或低頻大信號功放，經(jīng)過功放放大后進入 LC 濾波器進行濾波，主要濾除各次諧波分量。對于低頻功放，為滿足 8 dB 峰均比的信號發(fā)射需求，8 W 輸出的功率應(yīng)采用 1 dB 壓縮點 100 W 的 LDMOS 管進行設(shè)計確保；對于高頻功放，為滿足 8 dB峰均比的信號發(fā)射需求，4 W 輸出的功率應(yīng)采用 1 dB 壓縮點為 40 W 的 LDMOS 管進行設(shè)計確保。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)計指標(biāo)需求。

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

信號通過前級微帶耦合器耦合進入小信號板的 AD9371 觀測口（ORX），從而對天線口信號進行實時監(jiān)測。

1.3.3 組件PCB設(shè)計

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]。這樣有利于信號的回流和兩種地平面之間的穩(wěn)定。

布局布線時遇到走線困難，需要靈活調(diào)整器件位置，如大信號板射頻開關(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)部進行屏蔽設(shè)計，數(shù)字信號和模擬信號，大信號和小信號用金屬隔腔進行隔離防止信號內(nèi)部互相串?dāng)_，影響功能性能 ^[5]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求，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)要求尺寸進行設(shè)計，在印制板設(shè)計時，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 3U VPX 模塊的屏蔽盒結(jié)構(gòu)做了特殊設(shè)計，將熱功耗較大的位置做凸起設(shè)計（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，表面平整度可達到 0.1，最大限度增大了與機箱導(dǎo)軌的有效接觸面積，減小熱阻。同時，鎖緊條表面進行了黑色陽極氧化，能夠高效地將模塊其他區(qū)域的熱量吸引至鎖緊條，通過導(dǎo)軌傳遞至整個機箱。

3 組件的實現(xiàn)與測試結(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、信號發(fā)生器進行測試，測試結(jié)果表明，該組件 ACPR：≤ -35 dBc，噪聲系數(shù)：≤ 1.8 dB， 收發(fā)切換時間：≤ 3.0 μs，各次諧波抑制以及發(fā)射功率，抗燒毀能力均達到指標(biāo)要求，滿足通信系統(tǒng)的實際要求。

4 結(jié)語

本設(shè)計主要研究基于 VPX 的多模多頻段微波收發(fā)組件，通過前期調(diào)研和系統(tǒng)分析進行方案設(shè)計，驗證方案的可行性，在保證組件性能的同時，實現(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)切換時間、諧波抑制的要求，具有一定的創(chuàng)新性實際應(yīng)用意義。

參考文獻：

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

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[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[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)