CN110212928A - 一种低电磁干扰的零中频体制发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电磁干扰的零中频体制发射机，属于零中频发射机技术领域，包括电源模块、基带模块、变频模块、功放模块与多个腔体；所述电源模块用于为发射机提供二次电源；所述基带模块用于产生I、Q两路基带信号，并将两路基带信号传输到变频模块；所述变频模块，用于将输入的I/Q两路基带信号送入到正交调制器进行直接调制并用于提供内部需要的本振输出和射频输出；所述功放模块，用于放大变频模块输出的射频信号。本发明在不改变发射机结构的情况下，通过合理的EMC设计大大的减小了发射机内部的干扰，保证了通信质量；一体化程度高，所有模块均集成在一个盒体里；相较于多次变频结构，具有体积小、重量轻、成本低等优点；其可靠性高，可应用于航天领域。

Description

一种低电磁干扰的零中频体制发射机
技术领域
本发明涉及零中频发射机技术领域，具体涉及一种低电磁干扰的零中频体制发射机。
背景技术
发射机作为无线通信系统的一部分，其功能是将数字信号转换成基带模拟信号，然后完成信号的调制和上变频，最终通过射频功率放大器将调制后的射频信号通过天线发射出去。为了应对无线通信系统对无线发射设备需求的不断升级提高，经过射频工程师们多年不断的研究和改进，产生了目前应用最广泛的两种射频发射结构：超外差发射结构和零中频发射结构。超外差发射结构为传统发射架构，是最可靠的发射机拓扑结构，已经获得极其广发的应用。但是，超外差发射结构包含两次甚至是多次变频，带来了结构复杂、硬件成本高、功耗相对较大、体积大和集成度低等缺点，制约了它的进一步发展。零中频发射结构电路结构简洁，与超外差式发射结构相比，省去中频和射频本振源电路、中频和射频混频器以及中频SAW滤波器电路等，降低了发射机系统复杂度与器件数，也大幅降低了系统体积、重量、功耗和成本。
随着现代无线通信技术飞速的发展，特别是在航天领域，无线通信技术朝着低成本、小型化、低功耗、便携性、可重构的方向发展，所以零中频结构在无线通信系统中越来越具备优势。零中频结构和超外差结构发射机最大的区别就是在变频模块，零中频结构发射机其锁相环的输出信号位于调制器输出信号的带内。因此，调制器的输出链路极有可能会干扰到锁相环内部的VCO(压控振荡器)，恶化了锁相环的相噪。鉴于调制器的输出端连接着功放模块，功放的大功率辐射在空间中使得这种干扰更为明显。以上几种因素最终导致发射机输出的星座图极不稳定、EVM(矢量误差)恶化，影响了正常的通信功能。因此，合理设计变频模块的电磁兼容(EMC)，降低发射机内部空间电磁干扰(EMI)，是在工程中想要采用零中频发射结构的发射机的一个关键技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何降低零中频体制发射机内部空间的电磁干扰，提供了一种低电磁干扰的零中频体制发射机。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括电源模块、基带模块、变频模块与功放模块；
所述电源模块，用于为发射机提供二次电源；
所述基带模块，用于产生I、Q两路基带信号，经正交上变频实现射频输出；
所述变频模块，用于调制输入的I/Q信号，并用于提供内部需要的本振输出和射频输出；
所述功放模块，用于对变频模块输出的模拟信号进行多级功率放大后对外辐射；
所述电源模块、基带模块、变频模块与功放模块两两之间采用导带搭接的方式实现信号传输。
优选的，所述零中频体制发射机还包括盒体，所述基带模块、变频模块与功放模块设置在盒体的内部一侧，所述电源模块设置在盒体的内部另一侧。
优选的，所述零中频体制发射机还包括多个腔体，多个所述腔体分别设置在基带模块、变频模块以及功放模块的外部，所述基带模块、变频模块与功放模块两两之间通过腔体进行物理隔离。
优选的，所述变频模块包括内部晶振、锁相模块与上变频模块，所述内部晶振用于输出两路信号，一路信号经衰减滤波后直接输出供数字时钟使用，另一路信号用于作为锁相模块的参考时钟信号，所述上变频模块用于将I/Q基带信号进行上变频后输出。
优选的，所述锁相模块包括锁相环，所述锁相环包括衰减器与放大器，所述衰减器与放大器均设置在锁相环的输出端，所述衰减器用于衰减锁相环输出的本振信号同时也衰减了进入锁相环的干扰信号，所述放大器用于放大锁相环输出的本振信号。由于放大器的单向性，放大器实现了锁相环输出信号的放大，同时并不会放大输入锁相环的干扰信号。在两者的共同作用下实现了两方面的功能：一方面尽可能缩短锁相环输出信号线、一方面尽可能在锁相环的输出线路上增加输出隔离。因此减小了上变频模块对锁相模块的电磁干扰。
优选的，所述变频模块还包括多个压块，多个所述压块分别设置在正交调制器、正交调制器的输入信号线、锁相环与放大器的周围，从而形成多个用于实现屏蔽处理的隔腔。
优选的，所述变频模块的PCB包括四层板，其中，自上而下第一层为信号线层，第二层为I/Q线层，第三层为电源层，第四层为接地层。
优选的，所述电源模块包括多个独立的DC/DC变换器，多个所述DC/DC变换器分别用于输出供基带模块、变频模块与功放模块使用的固定电压。
本发明相比现有技术具有以下优点：该低电磁干扰的零中频体制发射机，首先，在不改变发射机结构的情况下，通过合理的EMC设计大大的减小了发射机内部的干扰，保证了通信质量；其次，该发射机一体化程度高，所有模块均集成在一个盒体里；最后，该发射机相较于多次变频结构(超外差结构)，具有体积小、重量轻、成本低等优点；其可靠性高，可应用于航天领域。
附图说明
图1是本发明发射机的总体框图；
图2是本发明实施例中电源模块的原理框图；
图3是本发明实施例中基带模块的原理框图；
图4是本发明实施例中变频模块的原理框图；
图5是本发明实施例中功放模块的原理框图；
图6是本发明实施例中改进EMC设计后变频模块的原理框图；
图7是本发明实施例中变频模块改进设计后的PCB设计图；图中：1、信号线层；2、I/Q线层；3、电源层；4、接地层；
图8是本发明实施例中变频模块的结构示意框图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供的发射机包括电源模块、基带模块、变频模块、功放模块。基带模块、变频模块、功放模块三个模块集成在盒体的一侧，电源模块集成在盒体的另一侧。三个模块采用三个腔体实现物理上的隔离，模块与模块之间采用导带搭接的方式实现信号传输。
如图2所示，电源模块通过一次母线供电，输出5V、10V、-5V、3.3V、1.5V分别供给其他三个模块。电源模块内部设置有3块独立的DC/DC变换器。+10V/3A采用单输出DC/DC变换器，+5V/2A和+5V/0.3A采用双输出DC/DC变换器，-5V/0.1A和-5/0.02A采用双输出DC/DC变换器。每个电源模块的内部包括控制电路、功率变换电路、输出整流电路。其中3.3V和1.5V由输出5V/2A采用芯片TPS50601及外围控制电路变换得到。输出电源共用前级滤波器、浪涌抑制及输入保护电路，同时接受外部指令实现开关机功能。
如图3所示，基带模块具备1553B接口通信、数据提取、扩频、调制、编码的功能，因此其采用FPGA+1553B接口转换芯片+DAC+PROM的架构。各功能模块的功能如下：1553B接口转换芯片主要功能是完成1553B总线接口协议转换，并与FPGA进行数据交换；FPGA主要功能是完成数据处理和信号处理，从1553B总线数据上提取返向数据，并进行编码、调制扩频；刷新芯片主要功能是实现FPGA逻辑的定时刷新，提高FPGA抗单粒子反转性能；PROM主要功能是存储编写好的FPGA程序；DAC主要功能是完成基带I、Q数据的模数变换。
如图4所示，变频模块采用零中频调制方案。由基带模块产生I、Q两路基带信号，经正交上变频实现射频输出。变频模块由内部晶振、锁相模块、上变频模块构成。其中，锁相模块包括锁相环，内部晶振输出的12MHz信号经放大后功分两路，一路经衰减滤波后直接输出到基带模块供数字时钟使用；另一路作为PLL(锁相环)的参考时钟信号，锁相至2274MHz(本振频率)；正交调制器将I/Q基带信号进行上变频后输出到功放模块。
如图5所示，功放模块将变频模块输出的信号进行功率放大，经双工器，馈入天线单元对外辐射，同时将末级功放管的输出功率反馈给基带模块。功放模块的内部包含射频电路和低频控制电路。其中射频电路包含前级放大器、驱动放大器、带通滤波器、末级功放、隔离器、低通滤波器等；低频控制电路包含电压偏置电路和功率遥测电路。
如图6所示，由于锁相环的输出信号位于正交调制器输出信号带内，正交调制器的输出链路干扰到了锁相环内部的压控振荡器(VCO)，恶化了锁相环的相噪。在不影响发射机结构布局和总体设计方案，我们通过大量的试验摸底，对零中频发射通道模块进行了设计改进。
如图7所示，改进设计后变频模块的PCB采用4层板：顶层为信号线层1、I/Q线层2位于次层，电源层3位于第3层，第4层为接地层4，这样可以减少电磁泄漏，一方面信号线、I/Q线路和电源位于同一PCB板的不同层，可以在不增大PCB面积的同时实现了信号之间以及信号与直流电源的电磁隔离，极大地减小了信号泄漏到直流电源，保证了电源输出的稳定性；另一方面第4层为独立的接地层便于设计良好的接地系统，减小电磁干扰。总之利用多层板的极大地减少了电磁泄漏，保证了低电磁干扰。
如图8所示，锁相环的输出端新增一个PI形衰减器和一个放大器，所述衰减器用于衰减锁相环输出的本振信号同时也衰减了进入锁相环的干扰信号，所述放大器用于放大锁相环输出的本振信号。由于放大器的单向性，放大器实现了锁相环输出信号的放大，同时并不会放大输入锁相环的干扰信号。在两者的共同作用下实现了两方面的功能：一方面尽可能缩短锁相环的输出信号线、一方面尽可能在锁相环输出线路上增加输出隔离。因此减小了变频模块对锁相模块的电磁干扰，通过压块(图中阴影填充部分为压块)将锁相环、锁相环输出端的放大器、正交调制器以及正交调制器的输入信号线物理上分成4个隔腔，实现屏蔽处理，减小了四个隔腔之间的电磁干扰，最终得到变频模块的盒体布局。
最终采用BPSK调制信号为例，对本发射机进行测试。在发射机的输出端连接具有解调功能的频谱仪，从星座图中可以得到发射机输出(功放饱和输出)的EVM数值优于7％的测试结果。
综上所述，本实施例的低电磁干扰的零中频体制发射机，首先，在不改变发射机结构的情况下，通过合理的EMC设计大大的减小了发射机内部的干扰，保证了通信质量；其次，该发射机一体化程度高，所有模块均集成在一个盒体里；最后，该发射机相较于多次变频结构(超外差结构)，具有体积小、重量轻、成本低等优点；其可靠性高，可应用于航天领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：包括电源模块、基带模块、变频模块与功放模块；
所述电源模块，用于为发射机提供二次电源；
所述基带模块，用于产生I、Q两路基带信号，并将I/Q两路基带信号传输到变频模块；
所述变频模块，用于调制输入的I/Q两路基带信号，并用于提供内部需要的本振输出和射频输出；
所述功放模块，用于对变频模块输出的模拟信号进行多级功率放大后对外辐射；
所述电源模块、基带模块、变频模块与功放模块两两之间采用导带搭接的方式实现信号传输。
2.根据权利要求1所述的一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：所述零中频体制发射机还包括盒体，所述基带模块、变频模块与功放模块均设置在盒体的内部一侧，所述电源模块设置在盒体的内部另一侧。
3.根据权利要求1所述的一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：所述零中频体制发射机还包括多个腔体，多个所述腔体分别设置在基带模块、变频模块以及功放模块的外部，所述基带模块、变频模块与功放模块两两之间通过腔体进行物理隔离。
4.根据权利要求1所述的一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：所述变频模块包括内部晶振、锁相模块与上变频模块，所述内部晶振用于输出两路信号，一路信号经衰减滤波后直接输出供数字时钟使用，另一路信号用于作为锁相模块的参考时钟信号，所述上变频模块用于将I/Q基带信号进行上变频后输出。
5.根据权利要求4所述的一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：所述锁相模块包括锁相环，所述锁相环包括PI衰减器与放大器，所述衰减器与放大器均设置在锁相环的输出端，所述衰减器用于衰减锁相环输出的本振信号同时用于衰减进入锁相环的干扰信号，所述放大器用于放大锁相环输出的本振信号。
6.根据权利要求5所述的一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：所述变频模块还包括多个压块，多个所述压块分别设置在正交调制器、正交调制器的输入信号线、锁相环与放大器的周围，从而形成多个用于实现屏蔽处理的隔腔。
7.根据权利要求6所述的一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：所述变频模块的PCB包括四层板，其中，自上而下第一层为信号线层，第二层为I/Q线层，第三层为电源层，第四层为接地层。
8.根据权利要求1所述的一种低电磁干扰的零中频体制发射机，其特征在于：所述电源模块包括多个独立的DC/DC变换器，多个所述DC/DC变换器分别用于输出供基带模块、变频模块与功放模块使用的固定电压。
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