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1、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
2、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
3、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（I&Q）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
4、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
5、号处理。2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
6、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1/2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
7、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（A/D）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
8、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A/D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
9、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
10、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。niainu nl1I Ama2 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。希怕殳口竹剂兄谆u该体系结构简单
11、，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，不利于将来的发 展。JEWROH i車1四、结束语本文讨论了适于集成的不同发射机和接收机的体系结构，在设计中具体采用那一种，还 有待于具体分析。有些体系还处于探索之中，认识水平也未达到工程化的要求，离实现还有 相当的一段路要走。在航空通信领域，已经在传统的超外差体制上作了大量的改进，采用了 多种混合的体制。在将来，更高的小型化的要求会促使设计人员开发出高水平的收发信机。
