基于VPX的多模多頻段微波收發(fā)組件設計與實(shí)現

摘要：微波收發(fā)組件是通信系統中的重要部分，本文設計了一種基于VPX技術(shù)的多模多頻段微波收發(fā)組件，采用了VPX標準總線(xiàn)結構，實(shí)現了其通用化和標準化。組件用于多種模式多種頻段的軟件無(wú)線(xiàn)電通信系統，系統用于無(wú)線(xiàn)傳輸高清視頻圖像。該組件接收噪聲系數：≤1.8?dB，ACPR：≤-35?dBc，發(fā)射功率以及各次諧波抑制等均達到指標要求，滿(mǎn)足通信系統的實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞：VPX；多頻段；收發(fā)組件；軟件無(wú)線(xiàn)電

VPX 總線(xiàn)是在 VME 總線(xiàn)基礎上提出的新一代高速串行總線(xiàn)標準，可以適應結構要求復雜、數據速率高的應用環(huán)境，而且可以滿(mǎn)足多核多 CPU( 中央處理器 ) 計算，以及 DSP（Digital Signal Processing，數字信號處理）數據處理，結合高性能 FPGA（Field Programmable Gate Array，現場(chǎng)可編程陣列邏輯）），是國防及航空領(lǐng)域應用中模塊化處理平臺的發(fā)展趨勢 ^[1]?；诖?，本文設 計了一種多模多頻段微波收發(fā)組件，用于多種模式多種 頻段的寬帶軟件無(wú)線(xiàn)電通信系統。接收噪聲系數和發(fā)射 功率等均達到指標，滿(mǎn)足通信系統的工作要求。

1 微波收發(fā)組件的設計與實(shí)現

1.1 組件方案設計

微波收發(fā)組件擁有獨立的收發(fā)通道，收通道對射頻信號進(jìn)行濾波、混頻、放大、模數轉換 ^[2]；發(fā)通道對數 字 I/Q 數據進(jìn)行數模轉換，對射頻信號進(jìn)行濾波、放大。 微波收發(fā)組件通過(guò) SRIO（Serial Rapid I/O，串行高速 I/O）接口與圖像信號處理組件進(jìn)行 I/Q 數據交互，通過(guò) SMA（SubMiniature version A）接口與天線(xiàn)和多工器進(jìn) 行射頻信號交互。

1.2 指標要求

工作頻率：300-400 MHz，1 400-1 500 MHz， 1 700-1 800 MHz。

自動(dòng)增益調節范圍≥ 60 dB（不包含 AD9371 內部的增益調節）。

噪聲系數：≤ 1.8 dB。

抗燒毀能力：37 dBm 功率輸入 5 分鐘時(shí)，接收機不損壞。

輸出平均功率：≥ 8 W（300-400 MHz），≥ 4 W （1 400-1 500 MHz），≥ 1 W（1 700-1 800 MHz）。

ACPR：≤ -35 dBc( 中心頻率 10 MHz 偏移，8 MHz 信號帶寬 )。

二次諧波抑制：≥ 40 dBc；三至五次諧波抑制： ≥ 70 dBc；其他諧波：≥ 60 dBc。

收發(fā)切換時(shí)間：≤ 3.0 μs。

1.3 組件硬件設計

微波收發(fā)組件由大信號板和小信號板組成，通過(guò)板間連接器垂直相接，板間有金屬屏蔽腔體隔離。依照 VPX 標準，采用 3U 標準的 VPX 板卡架構對該單元進(jìn)行設計，如圖 1 所示。

在發(fā)射模式下，小信號板主要用于將 SRIO 輸入的波形數據進(jìn)行數字模擬變換，變換后的零中頻信號直接通過(guò)正交上變頻輸出到對應的射頻頻段，再通過(guò)射頻前端對其進(jìn)行功率放大后輸出。

在接收模式下，外部輸出的小信號，先經(jīng)過(guò)大信號板的低噪放進(jìn)行放大，從而確保收到的小信號的信噪比在后級相關(guān)處理后不至于進(jìn)一步降低。放大后的信號進(jìn)入小信號板，分別經(jīng)過(guò)下變頻，中頻濾波后進(jìn)入 AD 器件進(jìn)行零中頻下變頻并 AD 采樣。采樣的數據通過(guò) SRIO 通道送入圖像信號處理組件進(jìn)行解調分析。

1.3.1 小信號板設計

小信號板原理框圖如圖 2 所示，總體分為發(fā)射和接收通路。發(fā)射采用零中頻方案。SRIO 輸入的波形數據經(jīng)過(guò) FPGA 轉換后，再采用 AD9371 進(jìn)行數模變換后通過(guò)巴倫和開(kāi)關(guān)進(jìn)入驅動(dòng)放大器中，信號放大后進(jìn)入濾波器，最后通過(guò)單刀四擲開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)垂直互聯(lián)射頻口進(jìn)入大信號板。

圖 2小信號板原理框圖

接收采用超外差接收機電路方案，通過(guò)兩次變頻將接收到的 300-400 MHz 和 1 400-1 800 MHz 射頻信號變到零中頻基帶信號（I&Q 信號）進(jìn)行后續處理。300- 400 MHz 射頻信號通過(guò)低噪放、數控可調衰減器、調諧濾波、放大進(jìn)入第一混頻器 RFFC2071，該混頻器本振頻率 1 130-1 230 MHz 掃頻，信號頻率變?yōu)?830 MHz 固定中頻（IF）；再通過(guò)中頻濾波放大，進(jìn)入正交解調器 AD9371，該正交解調器本振頻率為 830 MHz，得到零中頻基帶信號（I&Q 信號），通過(guò)開(kāi)關(guān)控制實(shí)現不同 中頻帶寬的輸出。通過(guò)耦合器和檢波器實(shí)現通道功率電平的檢測，完成自動(dòng)增益的控制。

同理地，高頻 1 400-1 800 MHz 射頻信號通過(guò)低噪放放大后進(jìn)入數控可調衰減器，數控可調衰減器可以根據信號大小調節信號強度，增大了接收路動(dòng)態(tài)范圍。然后信號再通過(guò)調諧濾波、放大進(jìn)入第一混頻器 RFFC2071，該混頻器本振頻率 2 230-2 630 MHz 掃頻，信號頻率變?yōu)?830 MHz 固定中頻；再通過(guò)中頻（IF）濾波放大，進(jìn)入正交解調器 AD9371，該正交解調器本振頻率為 830 MHz，得到零中頻基帶信號（I & Q 信號），通過(guò)開(kāi)關(guān)控制實(shí)現不同中頻帶寬的輸出。

最后基帶信號通過(guò) AD9371 的 JESD204B 接口輸出，經(jīng)過(guò) FPGA 轉換為 SRIO 高速接口與 VPX 背板上圖像信號處理組件進(jìn)行數據交互，從而完成視頻圖像信號的解析。

1.3.2 大信號板設計

小信號板的信號通過(guò)板間垂直射頻連接器進(jìn)入大信號板，進(jìn)入 SP4T 射頻開(kāi)關(guān)根據頻段和功能分別切換進(jìn)入不同通路。大信號板原理框圖如圖 3 所示，總體分為發(fā)射和接收通路。

發(fā)射信號分別進(jìn)入高頻或低頻大信號功放，經(jīng)過(guò)功放放大后進(jìn)入 LC 濾波器進(jìn)行濾波，主要濾除各次諧波分量。對于低頻功放，為滿(mǎn)足 8 dB 峰均比的信號發(fā)射需求，8 W 輸出的功率應采用 1 dB 壓縮點(diǎn) 100 W 的 LDMOS 管進(jìn)行設計確保；對于高頻功放，為滿(mǎn)足 8 dB峰均比的信號發(fā)射需求，4 W 輸出的功率應采用 1 dB 壓縮點(diǎn)為 40 W 的 LDMOS 管進(jìn)行設計確保。在此功率輸出情況下，所選高頻和低頻功放管的 ACPR 指標均小于 -40 dBc，能夠滿(mǎn)足設計指標需求。

接收信號經(jīng)過(guò) SP4T 射頻開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)限幅器，限幅器主要用于保護接收電路，削弱大功率接收信號，可以滿(mǎn)足抗燒毀能力 ^[3]。經(jīng)過(guò)限幅器后再進(jìn)入低噪放放大，然后進(jìn)入小信號板。

信號通過(guò)前級微帶耦合器耦合進(jìn)入小信號板的 AD9371 觀(guān)測口（ORX），從而對天線(xiàn)口信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。

1.3.3 組件PCB設計

微波收發(fā)組件有數字電路和模擬電路兩部分。按照不同電路類(lèi)型，將他們分開(kāi)布局，這樣有利于最后地的分割，數字地緊貼在數字電路下方，模擬地緊貼在模擬電路下方 ^[4]。這樣有利于信號的回流和兩種地平面之間的穩定。

布局布線(xiàn)時(shí)遇到走線(xiàn)困難，需要靈活調整器件位置，如大信號板射頻開(kāi)關(guān)為了布局走線(xiàn)需要將其旋轉一定角度，既節省了空間，也使走線(xiàn)更加平直。

微波收發(fā)組件中內部進(jìn)行屏蔽設計，數字信號和模擬信號，大信號和小信號用金屬隔腔進(jìn)行隔離防止信號內部互相串擾，影響功能性能 ^[5]。

2 結構設計

為滿(mǎn)足產(chǎn)品的設計要求，為滿(mǎn)足產(chǎn)品性能、重量和屏蔽的要求，殼子采用鋁材制作。采用標準 3U VPX 導冷結構，所有尺寸按照系統要求尺寸進(jìn)行設計，在印制板設計時(shí)，充分考慮器件的布局布線(xiàn)以滿(mǎn)足尺寸要求。

3U VPX 模塊中有些器件（主要為集成電路和功率器件）的熱功耗較大，因此對 3U VPX 模塊的屏蔽盒結構做了特殊設計，將熱功耗較大的位置做凸起設計（如圖 4 所示），金屬凸起與與器件表面之間的間距保持在 0.8 mm，在裝配前，在器件表面覆蓋一層厚度為 1 mm 的導熱硅片，裝配后導熱硅片被壓縮，使得屏蔽盒、導熱硅片、元器件充分緊配，有良好的熱接觸。

3U VPX 模塊兩側的鎖緊條選用 5 段式熱傳導專(zhuān)用的鎖緊條，表面平整度可達到 0.1，最大限度增大了與機箱導軌的有效接觸面積，減小熱阻。同時(shí)，鎖緊條表面進(jìn)行了黑色陽(yáng)極氧化，能夠高效地將模塊其他區域的熱量吸引至鎖緊條，通過(guò)導軌傳遞至整個(gè)機箱。

3 組件的實(shí)現與測試結果

將 PCB 板加工生產(chǎn)，裝配入組件，分別使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器進(jìn)行測試，測試結果表明，該組件 ACPR：≤ -35 dBc，噪聲系數：≤ 1.8 dB， 收發(fā)切換時(shí)間：≤ 3.0 μs，各次諧波抑制以及發(fā)射功率，抗燒毀能力均達到指標要求，滿(mǎn)足通信系統的實(shí)際要求。

4 結語(yǔ)

本設計主要研究基于 VPX 的多模多頻段微波收發(fā)組件，通過(guò)前期調研和系統分析進(jìn)行方案設計，驗證方案的可行性，在保證組件性能的同時(shí)，實(shí)現通用化。根據指標要求，在指定頻段內，組件滿(mǎn)足接收噪聲系數、ACPR、發(fā)射功率、收發(fā)切換時(shí)間、諧波抑制的要求，具有一定的創(chuàng )新性實(shí)際應用意義。

參考文獻：

[1] 安效君.基于VPX的高速跳頻信號接收處理平臺設計[J].計算機與網(wǎng)絡(luò ),2021(7):44-46.

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[3] 吳喆.基于SIP的射頻寬帶收發(fā)前端關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué),2018.

[4] 張振,范如,羅俊.一種S波段平衡式限幅低噪聲放大器設計[J].微電子學(xué),2012,42(4):463-467.

[5] POZAR D M.微波工程[M].張肇儀,周樂(lè )柱,吳德明,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)