VHF跳频电台接收机高放的设计与实现

施永热,吴信宝

(1.杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;2.中国电子科技集团公司第五十研究所,上海200063)

0 引 言

从20世纪60年代起,国外就开始进行扩频通信技术的研究,跳频电台的推广使用,替代了原有的常规通信电台,最经典的例子属于美国的CHESS系统[1,2]。而国内在此领域的发展相对较慢,目前国内各电台研制单位正在研究设计新一代的跳频电台,以适应未来战场环境的需要。提高跳频电台的通信能力,当前最前沿的技术就是采用数字化和集成化来实现高放的高可靠性,强抗扰性,低噪声性,高选择性以及大动态范围能力[3]。本文对接收机高放作出了研究。

1 接收机总体设计

在通信系统中,最难设计的部分就是接收机。它是跳频电台的重要组成部分,是实现通信性能的关键。整个接收机系统的结构框图如图1所示。

图1 新一代VHF跳频电台接收机框图

由图1可知,接收机负责向终端提供解调后的音频信号,噪声静噪电平。采用二次变频的超外差接收方式,把接收到的高频信号都变换成固定的中频信号进行放大、解调,频率比较低,容易获得较大的增益,因此接收机的灵敏度可以做得比较高。二次变频还提高了像频抑制能力,进一步提升灵敏度;两级中频放大及滤波保证了中频信号的选择性。

2 高放单元设计

在无线通信系统中,到达接收机的射频信号电平多在μV数量级,因此需要将微弱的射频信号进行放大。高放电路是接收机的重要组成部分,是实现其动态性能的关键部件。为了达到好的接收效果,高放单元应具有低的噪声系数,尽可能大的动态范围,更少的功耗,更高的可靠性,更低的价格和更小的尺寸。本机的有效频率范围是30～90MHz,且要求高增益为13±2dB,低增益为0±2dB,高放单元电路框图如图2所示。

图2 高放单元电路框图

由图2可以看出,高放不仅具有高低增益选择以及自动增益控制的功能,而且射频信号在进入第一级跳频预选滤波器之前,受到保护电路的监控,以防输入信号幅度过大,从而损坏接收机。放大器前后两级滤波器采用数控跳频滤波器。

2.1 数控跳频预选滤波器

预选滤波器用来提高接收机前端电路的选择性,对抑制各种外部干扰起决定性作用,可使干扰在进入混频器之前就全部或大部分被抑制。目前,接收机广泛采用高中频和固定调谐滤波器。选用高中频后,组合频率干扰、镜像频率、中频干扰基本上被抑制。固定调谐滤波器常用简单的低通和倍频程带通滤波器。倍频程带通滤波器可以防止二阶互调干扰的产生,如果设滤波器的下限频率为f01,上限频率为f02,则构成二阶互调干扰的条件是:

式中,f1和f2为两个干扰频率。当f1和f2都接近上限频率f01时,它们的和频f1+f2≈2f02＞f02,不满足式1;当f1接近上限频率f02,f2接近下限频率f01时,它们的和频f1+f2≈f01+f02＞f02,也不符合式1。只有当f1和f2都接近下限频率f01时,它们的和频f1+f2≈2f01才有可能落在信号通带内,构成二阶互调干扰。为消除这种可能性,可使:

式中,上限频率f02小于下限频率f01的两倍。对于差频信号也有相同的的结果。跳频滤波器根据开关电容阵带通滤波器的原理设计[4],其一个单元等效电路如图3所示。

从图3分析可知,当接入-2.7V 电压时,V 1、V2、V3、V4导通,电容C4、C7接入电路;当电路接+60V时,V 1、V2、V3、V4截止,C4、C7被悬空,与电路断开。C5、C6起隔直作用,防止加入的直流电直接到地;R3、R4是限流电阻,防止流过电路的电流过大,损坏电路;R1、R2、R5、R6用来保证V1、V2、V3、V4可靠的截止[5],通过高低电平的接入就可以控制不同值的电容接入滤波器电路,与电路中的电感产生谐振,实现选频,滤波。考虑到实际应用的需要,要求数控跳频滤波器快速选频,高效滤波,因此实际设计中选择双调谐回路。双调谐回路优点:滤波效率高,操作灵活,矩形系数较好,理论值为3.15,优于单调谐回路的9.7,且带宽是单调谐回路理论值的1.414倍[6]。

2.2 射频低噪放大器

图3 跳频预选滤波器一个单元等效电路

射频低噪声放大器不仅是系统高线性实现的关键,更是系统高灵敏度实现的可靠保证。课题在该单元实现中设计有高、低增益可选的双通路LNA,通过自动增益控制,由终端来根据实际情况选择通路。高增益LNA电路如图4所示。

图4 高增益LNA电路图

由图4可知,电路结构上采用晶体管2N5031与场效应管U310共射共栅的结构,此种结构保证LNA具有足够的增益,其中第一级晶体管电路采用负反馈技术保证放大器的稳定性。偏置采用串联馈电方式,R1、R2、R3、R4、R6提供 V1基极直流偏置;R3、R4、R5、R8决定V2的栅极直流电压。C4、R7为交流负反馈支路。而低增益LNA电路与高增益LNA电路类似,不同之处仅在于低增益LNA电路选择场效应管U310接成共栅极形式,作为唯一的放大器对信号进行放大。

2.3 自动增益控制电路设计

自动增益控制的功能是当输入信号强度改变时,用以使输出位准保持近于定值。在未装AGC的接收机中,若输入信号过强时,将会使信号即时饱和而导致严重失真。反之,若信号微弱时,将会使信号不易检知[7]。高放的AGC电路由模拟开关,峰值检波放大电路模块以及比较器组成。经过接收机射频前端的信号先通过由晶体管放大器2N918和运算放大器TL062组成的峰值检波放大电路提取信号的电压值,再经过比较器LM 2903与参考位准电压进行比较,输出TTL电平至终端,由终端进行判断,若此时信号过大,则终端输出一个控制信号至模拟开74HC4052,使其选择低增益通路导通,高增益通路截止;反之则选择高增益通路导通,低增益通路截止。

3 测试结果

为了验证设计的VHF跳频电台接收机高放的性能,测试中使用Agilent公司的8712ET网络分析仪、8921A通讯综合测试仪和Ifr2023A信号发生器,分别对高放的增益、带宽和像频抑制进行测试。其测试的结果如表1所示。

表1 高放性能测试结果表

由表1可知,高灵敏度下的增益达到了13dB±2dB设计要求,且带内增益较为平稳;带宽随着频率的升高逐渐变宽,使高放具有较强的选择性;像频抑制超过了预先的设计要求(30MHz～58.975MHz:≥80dB;59MHz～87.975MHz:≥75dB),并有较大的提高,这是由于数控跳频滤波器的存在,使得信号在放大之前经过了较好的滤波,将绝大部分干扰信号排除;驻波比也达到了设计要求(VSWR≤2);在整机测试中测得的中频抑制为110dB,性能远优于设计要求(≥100dB)。从总体分析看来,高放达到了设计要求的性能指标并有所改善,具备可生产性和良好的应用前景。

4 结束语

VHF跳频接收机高放的设计,必须适应接收机线性度好、动态范围大、灵敏度高、抗干扰能力强的特点。本文设计的高放中,数控跳频预选滤波器是以8位并行控制码控制电容阵为基础的双调谐滤波器,实现了高速选频,高效滤波,同时较好的解决了插损和带宽之间的矛盾,使得接收机有更好的选择性,较强的抑制干扰能力(中频抑制＞110dB,像频抑制＞75);自动增益控制的LNA,让接收机可以适应更加复杂的环境,有更好的动态范围、线性和灵敏度;保护电路消除了接收机工作的后顾之忧。

[1] 朱红琛.CHESS系统的跳频通信技术[J].通信技术,1998,(2):73-76.

[2] 谭文生.外军短波抗干扰电台发展趋势[A].2001军事通信抗干扰研讨会论文集[C],武汉:军事通信抗干扰研究会,2001:96-99.

[3] 郭宗良.跳频电台的发展趋势[J].现代通信,2004,(4):21-22.

[4] LiD,Tsidivis Y.Design techniques for automatically tuned integrated gigahertz-range active LC filters[J].IEEE JSol Sta Circ,2002,37(8):967-977.

[5] 宋波,陈江,于再兴.跳频滤波器初探[J].军事通信技术,2001,22(1):68-70.

[6] 彭峰,雷李,张里.跳频接收机中调谐高放电路的设计[J].信息安全与保密,2007,(1):93-95.

[7] 袁杰.实用无线电设计[M].北京:电子工业出版社,2006:329.