收发信机概述.doc

收发信机概述一、概述在当前航空通信突飞猛进的今天，从小型的驻留气球、无人机、歼击机到大型的专业飞机，装机的电子设备的种类和数量在成倍地增长，短波、超短波、L波段、卫星通信等各个频段的通信设备、多种导航设备、敌我识别设备、侦察设备等均在各类平台上装备，造成了各类平台拥挤不堪，为了解决其体积、重量、功耗等问题，不得不在航行速度和续航时间等方面做出牺牲，因此小型化、综合化势在必行。全机的综合化牵涉的方面较多，成本、技术等方面的因素目前还不可逾越，但小型化的技术已日趋成熟，表面贴装、厚薄膜集成电路技术、大规模逻辑门阵列技术均可使设备在一定程度上小型化。本文讨论的是寻求另外的一种途径，即改变收发信机的一些传统结构，来实现信道的集成化。二、接收机体系结构 用于航空通信的接收机，已逐步走向减小功耗、降低成本、提高集成度的道路。采用单片放大，利用数字信号处理技术来完成调频调幅信号的解调、扩频信号的解扩，这些措施可以大大减少接收机系统的尺寸、成本和功率。现在已发展到探索新的拓扑结构形式来进一步小型化。近年来出现的各种各样的接收机拓扑结构，每种都有其优点和缺点。 1超外差体系超外差体系结构自问世以来已被广泛采用，现在仍占据了绝对地位。图1所示为一个超短波超外差接收机双变频体系结构。低噪声放大器（LNA）对微弱信号进行了放大，其噪声系数对整机的贡献最大，但它提供的增益可减小后级引入的噪声系数。之前的射频滤波器衰减了带外信号和镜像干扰。使用可变本振，全部频谱就被下变频到一个固定的中频。通过在下变频模块之前使用一个外部镜像干扰抑制滤波器，镜像干扰可以被大大削弱到一个可接受的水平。在下变频之后使用中频滤波器可以滤除带外的杂波及噪声，对于后面的各个模块就降低了动态范围要求。第二下变频通常是正交的，以使同相和正交（IQ）信号的数字处理变得容易。由于有多个变频级，DC补偿和泄漏问题基本不存在，但它是以较大的硬件成本来获得较好的性能。实现镜像干扰抑制、互调等均需要的外部高Q带通滤波器，这些滤波器大都采用晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器，其价格昂贵，尺寸较大。由于在第一中频就实现良好的信道选择，所以一、二本地振荡器就要求有良好的相位噪声性能。但所有的这些外部信道的要求使得在单芯片上集成收发器变得很困难。超外差体系结构被认为是最稳定、可靠的接收机拓扑结构，因为通过适当地选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度。 2零中频接收机提高整机的集成度，尽量减少片外元件的动机促使零中频接收机体系结构的出现。图2给出了零中频接收机的框图，该系统包括锁相环、片上滤波器。在该拓扑结构中，全部射频频谱下变频到DC，高滚降低通滤波器用来实现信道选择。该拓扑结构消除了镜像干扰问题，因此无需使用外部高Q镜像干扰抑制滤波器。正交下变频产生I和Q信号以便进一步的信号处理。消除片外元件使得该体系结构更具集成性，因为镜像干扰信号的功率电平等于或小于所需信号。该体系结构要求较低的镜像干扰抑制，并且镜像干扰抑制滤波要在片内完成。由于只有一个本振用于下变频信号，所以减少了混频处理。总之，该体系结构在节约成本、减小面积和功耗方面是极佳的。但DC补偿、本振泄漏和闪烁噪声引起的问题会妨碍信号的检测。通过使用适当的数字信号处理器或自动归零功能，DC补偿问题可以得到纠正。高线性混频器可用于避免失真，因为在下变频之前没有提供滤波功能。该体系结构也易于导致二阶互调失真分量（IM2）。类似于超外差体系结构，该体系结构要求可变的高频本振以实现信道选择。该体系结构已经成功地应用于需要很少DC能量的调制方案中，例如过调制的频移键控（FSK）系统。 3低中频接收机在该体系结构中，中频处于低频率（典型为455kHz），因此需要低Q信道选择滤波器。图3给出某接收机所采用的低中频体系结构。射频频谱首先被多相滤波器放大并滤波，在滤波器输出端产生综合信号。该滤波器对于正频率充当全通滤波器，对于负频率充当带阻滤波器。该信号随后下变频到正交低中频，典型是12个信道带宽的数量级。该正交下变频处理利用了综合混频器。综合混频器只混合正射频频率和一个负本振频率，因此实现了主动的镜像干扰抑制。低中频体系结构适于集成，而且对信号处理的要求相对较低，因为在混频器之后使用低Q带通滤波器就实现了镜像干扰抑制和信道选择。不象零中频体系结构，低中频对于寄生的DC补偿、本振泄漏和IM2是不敏感的。低中频也能灵活地以多种方式处理信号。由于在片上进行I和Q发生器之间的匹配，该体系结构的一个缺点是它的镜像干扰抑制（约40 dB）功能有限。在信号路径中实现非对称多相滤波器以加强镜像干扰抑制，这会产生插入损耗和引起噪声降低。如果没有适当的预滤波，模数（AD）转换器上的动态范围和分辨率要求会大大增加。此外，当该拓扑结构用于宽信道带宽应用时，会导致信号处理的速度加快，电流消耗增加。另外，还需要良好相位噪声的可变高频本振，这也为合成器的设计增加了难度。因此目前的一些通信设备是在455 kHz中频上实现了数字化，但其结构形式来说与低中频接收机不是一个概念。其整机的框架结构是超外差的体制，且必须采用三次变频，变到455 kHz中频上，在此频率上进行信号处理。这带来了信号解调调制的灵活性，但其硬件成本开销一点没有减少，反而增加。此外据国外资料报道，出现了宽带双中频接收机和亚采样接收机，这些体系结构便于集成，但由于AD等方面要求过高等因素，目前还停留在研究阶段。三、发射机体系结构为了共用电路并减少功耗，发射机和接收机的设计应同步实现。选择合适的频率流程和调制方式，可以优化发射机和接收机的设计，缩小尺寸并提高性能。 1间接调制发射机间接调制体系结构见图4。数字信号首先转化为模拟信号，由一个可变的本振将频率变换为固定的单边带中频信号。然后，信号经低通滤波以消除本振谐波，最后使用另一个混频器上变频到一本振加二本振。由于第二个混频器产生2个边带，所以在混频器后面的外部滤波器会滤除不需要的边带和其他毛刺。最后，信号被放大并发射。这种方法可用于恒定和可变包络调制方案。由于在中频（几百兆赫兹）实现正交调制，所以可以获得I和Q之间的完美匹配，同时只消耗很少的电流。为满足频谱防护要求，可以通过两次滤波对毛刺和发射噪声进行抑制。间接调制避免了注入或本振牵引。本振牵引是指输出和振荡器都在高频率时，本振频率受强PA信号控制。目前这种方法得到了最广泛的应用，航空通信设备也不例外，但是目前芯片上还不能集成外部带通滤波器。此外，该方法需要2个低相位噪声锁相环，而且，片内滤波不能提供充分的毛刺抑制，并且提高了功率放大器的线性要求。在中频和射频之间实现高阶低通滤波器的难度导致寄生信号（中频的几倍）的不完全抑制。 2输入基准调制发射机典型的基于锁相环的发射机如图5所示。如同直接调制发射机一样，使用正交调制器，基带信号首先变换为中频。锁相环用来把中频信号上变频到射频，同时通过固有的环路作用，降低了输出信号的滤波要求。为了降低一本振的高分辨率要求，反馈分频器由下变频混频器和低通滤波器代替。该体系结构简单，功率低且适于集成。由锁相环提供的固有的窄带滤波器取代了外部带通滤波器。该体系结构需要2个本振，增加了额外的硬件。本振的注入牵引仍然是一个问题，这需要在本振和PA之间进行高度隔离。有很多方法可以产生调制基准，其中一个例子就是环路自身使用正交调制，这样可以使信号的相位变化最小。由于近期CMOS技术的进步，在几百兆赫兹进行直接数字合成（DDS）是可以实现的。利用DDS驱动锁相环的调制器如图6所示。高分辨率要求以及转换时间与寄生噪声之间的权衡妨碍了该系统的商业应用。但DDS技术达到的高分辨率和频率快速转换，使得跳频的本振容易得到解决，因此在航空通信领域得到了广泛的应用。为了取得良好的性能，在VCO之后增加12次混频、放大、滤波，但降低了集成性，不利