全雙工系統(tǒng)中收發(fā)隔離的分析與實(shí)現(xiàn)

　　1 引 言

　　對(duì)于全雙工接收機(jī)， 收發(fā)隔離是系統(tǒng)工作時(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)。如果系統(tǒng)的收發(fā)隔離解決不好， 會(huì)造成發(fā)射時(shí)接收通道無(wú)法正常工作， 還有可能會(huì)引起接收通道的自激， 若是在大功率條件下， 甚至?xí)斐山邮胀ǖ狼岸朔糯笃鞯膿p壞。因此， 有必要對(duì)系統(tǒng)中收發(fā)隔離的理論和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。

　　全雙工系統(tǒng)的收發(fā)隔離主要與設(shè)備前端天線的隔離度和射頻模塊中接收和發(fā)射通道的設(shè)計(jì)相關(guān)。

　　從理論上來(lái)看， 大多數(shù)的研究集中于同頻全雙工系統(tǒng)的收發(fā)隔離， 并提出如自適應(yīng)對(duì)消技術(shù)的方法來(lái)提高收發(fā)隔離; 從工程實(shí)際上來(lái)看， 對(duì)于像移動(dòng)電話這樣的設(shè)備， 可以通過(guò)收發(fā)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換以半雙工的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作時(shí)的收發(fā)隔離。目前對(duì)非同頻全雙工系統(tǒng)研究較少， 這主要是因?yàn)榻邮詹煌l時(shí)可以通過(guò)加濾波器來(lái)增加隔離， 保證系統(tǒng)正常工作; 但在導(dǎo)航通信機(jī)中， 由于系統(tǒng)發(fā)射功率很大， 而接收信號(hào)功率較小， 在信號(hào)功率相差很大的情況， 只通過(guò)加濾波器不一定能滿(mǎn)足系統(tǒng)收發(fā)隔離的要求， 此時(shí)還要做一些相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

　　本設(shè)計(jì)即從非同頻全雙工系統(tǒng)中所面臨的收發(fā)隔離出發(fā)， 首先一般性的分析了全雙工系統(tǒng)中收發(fā)隔離的理論與方法， 接著以非同頻全雙工系統(tǒng)為主，為系統(tǒng)的射頻模塊建立模型， 并結(jié)合該模型分析實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離的要求， 并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則， 最后以北斗一代!手持機(jī)項(xiàng)目為背景， 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)接收機(jī)射頻模塊， 并將該射頻模塊接入到整機(jī)中進(jìn)行暗室測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果說(shuō)明所設(shè)計(jì)模塊的收發(fā)隔離性能良好， 驗(yàn)證了所做的理論分析和提出的設(shè)計(jì)原則。

　　2 理論分析

　　收發(fā)隔離問(wèn)題常見(jiàn)于全雙工系統(tǒng)中， 如電子干擾機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信機(jī)等設(shè)備。按設(shè)備工作時(shí)接收和發(fā)射頻率相同和不同可以分為同頻接收機(jī)和不同頻接收機(jī)。一般的電子干擾機(jī)、雷達(dá)為同頻全雙工接收機(jī)， 而衛(wèi)星通信機(jī)為非同頻全雙工接收機(jī)。

　　對(duì)于同頻全雙工接收機(jī)， 由于發(fā)射和接收為相同的頻率， 發(fā)射泄露造成的干擾信號(hào)與接收信號(hào)的頻率相同， 無(wú)法通過(guò)濾波的方式來(lái)消除。在這種系統(tǒng)中，常見(jiàn)的方法是采用對(duì)消技術(shù)來(lái)消除干擾信號(hào)對(duì)正常接收信號(hào)的影響。圖1所示為同頻全雙工接收機(jī)中信號(hào)對(duì)消方法的原理圖。其中SR ( t )， IF ( t )，SC ( t)分別為天線間耦合信號(hào)， 所要接收信號(hào)和接收機(jī)產(chǎn)生的對(duì)消信號(hào)。圖1中各個(gè)信號(hào)可以表示為:

　　當(dāng)SR ( t ) 和SC ( t ) 等幅且相位相差90°或者270°時(shí)， 兩者相互抵消， 則SOUT ( t ) = IF ( t)。

　　對(duì)于非同頻全雙工系統(tǒng)， 收發(fā)隔離主要由系統(tǒng)的射頻前端來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)的發(fā)射和接收采用不同的頻率， 則可以通過(guò)濾波的方式盡量消除發(fā)射時(shí)對(duì)接收信號(hào)的影響， 但僅通過(guò)加濾波器并不一定能實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離， 還需要有其它的相應(yīng)設(shè)計(jì)。圖2為提出的非同頻全雙工接收機(jī)射頻模塊的原理圖。

圖1 射頻模塊原理圖

圖2 射頻模塊原理圖。

　　假定圖2中電路的各個(gè)參數(shù)如下: 接收機(jī)的接收頻率為fR， 發(fā)射頻率為fT; 接收和發(fā)射天線在fT和fR 頻點(diǎn)上的隔離分別為IT 和IR; 功放輸出信號(hào)功率為PT， 在fR 頻段上產(chǎn)生的噪聲功率為P n; 低噪放入口處的正常噪聲功率為P n0， 其輸入1dB 壓縮點(diǎn)功率為P1dB _LN A， 增益為GLNA; 接收混頻器的輸入1dB壓縮點(diǎn)功率為P1dB _mixe r; 考慮濾波器在fR 頻點(diǎn)上的插損很小而近似忽略， 只計(jì)算它在fT 頻點(diǎn)上的抑制為ILF; 考慮到隔離器在fT 頻率上的插損很小而近似忽略， 只計(jì)算它在fR 頻點(diǎn)上的抑制為ILI。結(jié)合該電路， 從實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離的角度來(lái)看， 電路設(shè)計(jì)中要遵守以下兩條原則。

　　原則1: 功放發(fā)射時(shí)耦合到接收通道中fT 頻率上的信號(hào)功率不使接收通道飽和， 即:

　　原則2: 功放工作時(shí)耦合到接收通道中fR 頻率上的噪聲功率不影響正常信號(hào)接收。一般情況下，當(dāng)耦合的噪聲功率比正常接收的噪聲功率小10倍時(shí)， 約使輸入信噪比降低0. 4dB， 即認(rèn)為耦合的噪聲功率不影響正常信號(hào)的接收。用公式表達(dá)為:

　　3 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　本設(shè)計(jì)以 北斗一號(hào)!衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中手持用戶(hù)機(jī)的收發(fā)隔離為例來(lái)分析。由于我國(guó)的“北斗一代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了雙星有源導(dǎo)航定位體制， 用戶(hù)在解算的過(guò)程中不僅接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的詢(xún)問(wèn)信號(hào)， 還主動(dòng)向衛(wèi)星發(fā)射定位申請(qǐng)信號(hào)。 北斗一號(hào)!的體制決定了手持型用戶(hù)機(jī)必須采用非同頻全雙工的工作模式。

　　在“北斗一號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中， 衛(wèi)星均為地面靜止衛(wèi)星( GEO ) ， 下行鏈路的頻率為fR =2491. 75MH z， 到達(dá)地面最小功率約為PR =- 127. 6dBm， 上行鏈路的頻率為fT = 1615. 68MH z，為了保證衛(wèi)星收到用戶(hù)發(fā)射的信號(hào)， 設(shè)備的發(fā)射功率不應(yīng)小于PT = + 40dBm。將接收機(jī)的射頻模塊分為接收通道和發(fā)射通道兩個(gè)部分， 具體設(shè)計(jì)如下。

　　3. 1 接收通道的設(shè)計(jì)

　　目前 北斗一代!導(dǎo)航業(yè)界內(nèi)手持機(jī)天線在fR和fT 頻率上的隔離度均可以做到10dB 左右。以功放的發(fā)射功率PT = + 40dBm 來(lái)算， 則耦合到低噪放入口的發(fā)射信號(hào)功率約為+ 30dBm。為使低噪放不飽和或穩(wěn)定工作必須在低噪放和接收天線之間插入濾波器來(lái)抑制fT 頻率上的泄漏功率。由級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系統(tǒng)定義[ 4] 可知， 插入的濾波器在fR 頻段上的插損必須非常小而不至于顯著的惡化接收通道的噪聲系數(shù)。另外， 因?yàn)閷?dǎo)航信號(hào)為弱信號(hào)， 而單級(jí)的射頻放大芯片的增益有限， 所以實(shí)際中低噪放由幾級(jí)芯片級(jí)聯(lián)。為保障低噪放中各級(jí)芯片均不飽和，不僅要在低噪放入口處加濾波器， 在各級(jí)聯(lián)芯片之間也應(yīng)有濾波器。圖3所示為接收通道的電路。

圖3 接收通道原理示意圖。

圖4 發(fā)射通道原理示意圖。

　　圖3中濾波器1 和濾波器2在1616MH z上抑制分別約為47dB 和60dB 左右， 放大器1的增益約為17. 5dB， 輸入1dB壓縮點(diǎn)功率約為+ 3. 5dBm， 放大器2和放大器3相同， 它們的增益約為17dB， 1dB飽和輸入功率約為- 11dBm， 接收混頻芯片的1dB飽和輸入功率約為- 8dBm。通過(guò)計(jì)算， P in1 = PT -IT - ILF = 40 - 10 - 47 = - 17dBm， Pin2 = P in 1 +GATF 34143 - 60= - 17+ 17. 5 - 60 = - 59. 5dBm， 在這樣的輸入功率下足以保證各級(jí)放大器和混頻器均不飽和， 滿(mǎn)足原則1中要求。

　　3. 2 發(fā)射通道的設(shè)計(jì)

　　出于成本的考慮， 手持機(jī)功放模塊中所選擇的功放芯片的飽和輸出功率必然十分接近所要求的輸出功率PT = + 40dBm。由于功放的發(fā)射功率接近其飽和輸出功率， 功放很難完全工作在線性區(qū)域， 所以功放工作時(shí)不僅在fT 頻段上有功率輸出， 在fR 頻段上也會(huì)相應(yīng)的有噪聲功率輸出。若耦合到接收天線中的噪聲功率Pn與天線入口處的正常衛(wèi)星信號(hào)噪聲功率Pn0相當(dāng)， 將影響信號(hào)的接收。由于功放輸出的帶外噪聲功率很大程度上取決于芯片本身， 一旦選定了功放芯片， 它的輸出噪聲功率就相對(duì)確定。

　　為了控制功放輸出的fR 頻段上的噪聲功率， 有必要在功放和發(fā)射天線之間加一個(gè)隔離器， 增加對(duì)fR 頻段信號(hào)的抑制。

　　如圖4為發(fā)射通道所采用的電路模型。為了滿(mǎn)足原則2中要求， 在末級(jí)放大器后接入隔離器來(lái)抑制帶外的噪聲功率。隔離器在2492MH z處的抑制有20dB， 另外ADS 仿真可知， 最后一級(jí)芯片在2492MH z處的增益約為- 11dB。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)， 在這樣的電路設(shè)計(jì)下， 可以滿(mǎn)足原則2的要求， 不影響接收通道的正常工作。

　　4 實(shí)測(cè)結(jié)果

　　將所設(shè)計(jì)的射頻模塊接入整機(jī)進(jìn)行暗室測(cè)試， 調(diào)整接收機(jī)天線入口處的信號(hào)功率強(qiáng)度， 在接收機(jī)接收到的信號(hào)波束強(qiáng)度為47dBH z左右時(shí)， 進(jìn)行連續(xù)定位測(cè)試。功放發(fā)射時(shí)， 信號(hào)接收波束強(qiáng)度基本無(wú)變化; 再降低接收機(jī)天線入口處的信號(hào)功率強(qiáng)度， 使接收機(jī)接收到的信號(hào)波束強(qiáng)度在門(mén)限電平44dBH z左右， 再進(jìn)行連續(xù)定位測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)功放發(fā)射時(shí)， 手持機(jī)無(wú)失鎖現(xiàn)象， 只是接收信號(hào)誤碼率略有增加。

　　5 結(jié) 論

　　總結(jié)了全雙工系統(tǒng)中收發(fā)隔離的理論， 著重分析了非同頻全雙工系統(tǒng)的特點(diǎn)， 并給合實(shí)際工程需要， 提出了一些設(shè)計(jì)原則。在 北斗一代!導(dǎo)航系統(tǒng)中手持式接收機(jī)的研發(fā)背景下， 由理論分析和所提原則， 制作了射頻模塊。經(jīng)過(guò)整機(jī)測(cè)試發(fā)現(xiàn)， 該模塊實(shí)現(xiàn)了手持機(jī)的收發(fā)隔離， 滿(mǎn)足手持機(jī)全雙工工作的要求， 證明了所提原則。目前該模塊已成功應(yīng)用于某產(chǎn)品中。