CN101505168A - 多模多频带射频前端机载通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种多模多频带射频前端机载通信系统，包括接收模块、本振模块和发射模块。本发明本射频子系统工作频带很宽，从400MHz到6GHz，可以在飞机航行时等特殊环境，支持不同的无线网络服务：2G，3G，WLAN，蓝牙等通信系统。信道带宽随着操作模式的不同而变化。其中最大带宽可达20MHz，最大射频输出功率为20dBm，接收机的噪声系数小于9dB。

Description

多模多频带射频前端机载通信系统

技术领域

本发明涉及一种多模多频带射频前端机载通信系统，属于一种可适用于现行无线通信服务的射频前端子系统的技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展和社会需求的日益增长，包括移动电话、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通信得到了越来越广泛的普及和应用，并展示出广阔的市场前景。从全球范围来看，无线通信用户的年增量和增速都在持续逐年大幅度增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。射频前端子系统是无线通信收发系统中的重要组成部分，一般作用为将接收到的射频信号下变频至中频信号，以便于进一步处理并回复信号；或者将中频信号上变频至微波毫米波信号，以便于其在空间传播。

现今多种主要的无线通信系统的工作频率范围覆盖了从400MHz到6GHz的多个频段。为了实现可以兼容多种无线通信体制的设备，宽带射频子系统是一个关键部件。在现代社会，无线通信系统提供方便的服务，例如：蜂窝移动通信系统(CDMA，GSM，WCDMA，TD-SCDMA)，无线局域网(WLAN)，短距离通信系统(蓝牙，UWB)，在飞机上，当使用机载无线通信服务时，可能会同时使用许多不同的系统。

现有技术存在的缺陷和不足：众所周知，许多民用无线电通信设备必须在飞机上处于关机状态，因为其许多工作频段和飞机的导航系统频段重叠的，所以这些通信设备是被禁止使用的，以免对飞机的飞行产生影响。但在飞机的导航频段外，还有很宽的频段可以被用做宽带通信使用。因此如果能充分利用这些频段，方便地提供很好的数据，音频和视频的传输服务，那么机载无线通信将是非常具有吸引力的。而现行的射频系统仍然没有应用于飞机航行时这种特殊的工作环境。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种多模多频带射频前端机载通信系统。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明多模多频带射频前端机载通信系统，其特征在于包括接收模块、本振模块和发射模块，其中接收模块由第一低噪声放大器、解调器、第一可变增益放大器、第一滤波器、第二可变增益放大器、第二滤波器和运算放大器依次串联组成；本振模块由频率合成器、第一开关、第二低噪声放大器、第二开关、第三低噪声放大器、倍频器、第四低噪声放大器、第三开关依次串联组成，第二开关与第三开关电连接，第三开关的输入端接解调器的输出端；发射模块中调制器的输入端分别接第一差分放大器输出端和第二差分放大器的输出端，调制器的输出端依次串接第五低噪声放大器、可控衰减器、第六低噪声放大器，第一差分放大器的输入端和第二差分放大器的输入端分别接运算放大器的输出端，第三开关的输出端接调制器的输入端。

本发明的技术效果和有益效果为：

现今多种主要的无线通信系统的工作频率范围覆盖了从400MHz到6GHz的多个频段。为了实现可以兼容多种无线通信体制的设备，宽带射频子系统是一个关键部件。Multi-mode/Multi-band RF Frontends for Onboard UltraBroadband Communication System是一个宽带射频子系统，该射频子系统能够支持多种无线通信服务，如3G移动通信系统，WLAN系统，WiMax系统等等，工作频带为400MHz到6GHz，信道带宽根据不同的通信工作模式是可变的，最大的信道带宽可达20MHz。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

图2是发射模块中芯片ADL5375的功能原理图

图3是发射模块中芯片AD8132的功能原理图。

图4是发射接收模块中平衡低通滤波器的S参数图。

图5是发射模块的电路原理图。

图6是发射模块EVM测试结果。

图7是接收模块中芯片HMC597的功能原理图。

图8是接收模块中芯片AD8058的功能原理图。

图9是接收模块的电路原理图。

图10是接收模块EVM测试结果。

图11是频率合成器模块中芯片HMC435的功能原理图。

图12是频率合成器模块的原理电路图。

图13(a)和(b)是频率合成器模块的相位噪声测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明多模多频带射频前端机载通信系统，其特征在于包括接收模块、本振模块和发射模块，其中接收模块由第一低噪声放大器、解调器、第一可变增益放大器、第一滤波器、第二可变增益放大器、第二滤波器和运算放大器依次串联组成；本振模块由频率合成器、第一开关、第二低噪声放大器、第二开关、第三低噪声放大器、倍频器、第四低噪声放大器、第三开关依次串联组成，第二开关与第三开关电连接，第三开关的输入端接解调器的输出端；发射模块中调制器的输入端分别接第一差分放大器输出端和第二差分放大器的输出端，调制器的输出端依次串接第五低噪声放大器、可控衰减器、第六低噪声放大器，第一差分放大器的输入端和第二差分放大器的输入端分别接运算放大器的输出端，第三开关的输出端接调制器的输入端。

发射模块：

由于本系统的特殊性即工作频带为400MHz到6GHz，频带范围很宽，为了便于采用较小的尺寸实现，降低系统的复杂性，并且满足多模多频的要求，本发明采用了零中频直接调制方式。零中频直接调制方式中的I/Q正交调制器的功能是将I/Q基带信号直接搬移到射频载波信号。其主要的技术指标为：载波抑制、边带抑制和IMD3。在实际情况下，由于集成电路内部的不平衡，调制器的载波抑制和边带抑制特性会受到影响。

为了满足本系统高速率和宽工作频带的性能指标，必须要选用高性能的I/Q调制器。本发明选用的调制器是AD公司的ADL5375，这是一款宽带正交调制器，它的应用范围在400MHz—6GHz(符合系统的工作频带要求)，并且有很好的相位噪声特性和幅度平衡特性。而且ADL5375在450MHz to 3.8GHz的范围内，输出功率平坦度小于1dB，回波损耗小于-14dB，因此非常适用于零中频直接调制方式电路设计。图2是该芯片的功能原理图。

ADL5375的四个基带信号输入端(IBBP，IBBN，QBBP，and QBBN)必须由两对差分信号驱动才能获得更好的调制性能。而从基带板获得的两路I/Q信号是两个单端信号，不满足条件。为了满足ADL5375的信号输入端驱动要求，本发明选用了一款运算放大器来完成这个任务，即使用两个运算放大器来把两个单端I/Q基带信号变成两对差分信号来驱动ADL5375。同时也可以用这两个运算放大器对基带输入信号进行放大，已达到更好的调制效果。

这里本发明选用的是AD公司的AD8132。AD8132是一种低成本的具有单端输入和差模输出的放大器，其具有低失真、低功耗、相位平衡等优点，它可用电阻来控制增益。AD8132有其独特的内部反馈，可以调整输出增益。当AD8132工作在10MHz时，可以保持-68dB的相位平衡，还可以抑制谐波，并能有效降低电磁辐射。AD8132为差模信号操作方式时，可以以大地为参考电平，故而受地面噪声的影响很小。AD8132的一个反馈回路可用来控制共模输出电压，以Vocm为输入信号，微调Vocm的输入电平，从而可以对I/Q调制器输入点直流偏置电压进行微调，以提高载波抑制和边带抑制性能。图3是AD8132的功能原理图。

为了避免杂散信号进入调制器，并且更好的抑制谐波，本发明采用2个简单的LC平衡低通滤波器滤除杂散信号和谐波信号。图4是其S参数曲线图，可得平衡低通滤波器的3dB宽带为15MHz。

整个发射模块实现的电路原理图如图5所示：

通过测试发射芯片的关键性能，用信号发生器发出码率为10MHz的QPSK信号进行测试。经过调试调制器的直流偏置电压，在整个工作频带内测得输出端口调制发射的射频信号星座图与EVM。这里给出几个主要频段的射频信号星座图与EVM，测试结果如图6：

接收模块：

为了便于采用较小的尺寸实现，降低系统的复杂性，并且满足多模多频的要求，在接收模块中仍采用了零中频直接解调方式。由于芯片的限制，本发明在接收模块中对频率范围进行修改(400MHz到4GHz)。零中频直接解调方式中的直接解调器的功能是将射频信号搬移到I/Q基带信号。

为了满足本系统高速率和宽工作频带的性能指标，必须要选用高性能的I/Q解调器。本发明选用的解调器是Hittite公司的HMC597，其功能原理图如图7所示，这是一款宽带正交解调器，它的应用范围在400MHz—4GHz，变频损耗为-3.5dB，回波损耗小于-14dB，有很好的相位噪声特性和幅度平衡特性。

射频信号经解调器HMC597解调后得到四个基带信号输出端(QN，QP，INand IP)。所以在对基带信号进行增益补偿时采用带有两对差分信号输入端的AD8332，AD8332是单/双通道，超低噪声，线性可变增益放大器。其有两种工作模式：LNA与VGA级联模式和VGA模式，可以提供-4.5dB to+43.5dB和+7.5dB to+55.5dB的动态范围。其可变增益由电压控制，可以根据系统和用户的需求调节控制电压来实现。在两级AD8332级联后，为了避免杂散信号进入，并且更好地抑制谐波，本发明采用平衡低通滤波器滤除杂散信号，抑制谐波分量。在接收模块的末端，采用差分运算放大器AD8058使得基带四路正交I/Q信号转换为两个单端信号，同时用这两个运算放大器对基带输出信号进行放大，已达到更好的解调效果。AD8058的功能原理图如图8所示，整个接收模块实现的电路原理图如图9所示：

通过测试接收芯片的关键性能，并结合最终的EVM测试对解调模块进行了细微的调整，其中主要是调整了可控增益模块电压和低通滤波器的实际带宽和衰减。测试时系统采用信号发生器产生400MHz-4GHz，-90～0dBm的QPSK信号进行测试，在整个工作频带内测得输出端口解调接收的基带信号星座图与EVM。由于篇幅的影响，这里给出几个主要频段的基带信号星座图与EVM，测试结果如图10：

本振模块：

实际电路中，由于需要在400MHz-6GHz都能提供稳定、低相位噪声的本振信号，单片的锁相环频率合成器基本上不能满足以上的条件，所以使用多个锁相环频率合成器芯片组合来产生系统所需要的本振信号。本发明选用2片Silicon Laboratories公司的Si4133锁相环频率合成器芯片和一片Si4136锁相环频率合成器芯片组合来产生本振信号。

这两款锁相环频率合成器芯片具体的频率合成范围如下：Si4136芯片提供两个射频频带：RF1：2.3GHz到2.6GHz，RF2：2025MHz到2300MHz，和一个中频频带IF：62.5MHz到1.0GHz。其中，RF1与RF2只能选择其一，但可与IF同时工作。Si4133芯片提供两个射频频带：RF1：900MHz到1800MHz，RF2：750MHz到1500MHz，和一个中频频带IF：62.5MHz到1.0GHz。其中，RF1与RF2同样只能选择其一，但也可与IF同时工作。由于本系统是零中频直接调制系统，所以这两个频率合成器的IF输出也可以作为整个系统的低频部分(400MHz-800MHz)的本振信号。这两款锁相环频率合成器芯片具有高度的集成度，共包括三个完整的PLL结构，包括VCO，环路滤波器，鉴相器，对参考源信号的可编程R分频器，对VCO输出的可编程N分频器以及IF信号输出的可编程分频器完全集成在芯片内部，通过三根串行线接口进行PLL控制。

通过对三个锁相环频率合成器的组合使用，可以得到所需的本振信号。表1显示了对三个锁相环频率合成器每个锁相环锁频范围分配情况：

表1 锁相环频率合成器频率分配

该表中显示400MHz到2.6GHz的频率范围。由于两款锁相环频率合成器芯片所能提供的本振信号频率最高只能达到2.6GHz，所以2.6GHz到5.2GHz的频率范围，本发明使用了性能良好的倍频器HMC188来达到输出更高频率的本振信号，并且有良好的相位噪声。由于整个本地振荡源模块的复杂性，开关模块必须使用在本地振荡源模块中，本发明选用的是HITTITE公司的HMC435，其射频指标如图11所示：

本地振荡源模块原理电路图如图12所示：

宽带射频子系统对本振频率合成器合成的本振信号的相位噪声有一定的要求，因而本系统采用频谱仪对宽带射频子系统的本振相噪进行了测试，下面图13列出主要频段的本振相位噪声测试结果：

本发明研制出宽带多频多模射频前端电路模块，实物采用4层PCB版制作。电路板的大小为12cm×15cm²。同时在测试过程中所用到的仪器有：

1.矢量信号发生器：Agilent E4438C(PSG Vector Signal Generator).

2.频谱分析仪：Agilent E4445A(PSA Series Spectrum Analyzer).

3.网络分析仪：Agilent 5071B(S-parameter Network Analyzer).

4.示波器：Agilent 54622D(Mixed Signal Oscilloscope).

5.PC。

Claims (1)

1、一种多模多频带射频前端机载通信系统，其特征在于包括接收模块、本振模块和发射模块，其中接收模块由第一低噪声放大器、解调器、第一可变增益放大器、第一滤波器、第二可变增益放大器、第二滤波器和运算放大器依次串联组成；本振模块由频率合成器、第一开关、第二低噪声放大器、第二开关、第三低噪声放大器、倍频器、第四低噪声放大器、第三开关依次串联组成，第二开关与第三开关电连接，第三开关的输入端接解调器的输出端；发射模块中调制器的输入端分别接第一差分放大器输出端和第二差分放大器的输出端，调制器的输出端依次串接第五低噪声放大器、可控衰减器、第六低噪声放大器，第一差分放大器的输入端和第二差分放大器的输入端分别接运算放大器的输出端，第三开关的输出端接调制器的输入端。

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