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全双工系统中收发隔离的分析与实现

时间:02-11 来源:互联网 点击:

  1 引 言

  对于全双工接收机, 收发隔离是系统工作时的一个重要指标。如果系统的收发隔离解决不好, 会造成发射时接收通道无法正常工作, 还有可能会引起接收通道的自激, 若是在大功率条件下, 甚至会造成接收通道前端放大器的损坏。因此, 有必要对系统中收发隔离的理论和实现方法进行研究。

  全双工系统的收发隔离主要与设备前端天线的隔离度和射频模块中接收和发射通道的设计相关。

  从理论上来看, 大多数的研究集中于同频全双工系统的收发隔离, 并提出如自适应对消技术的方法来提高收发隔离; 从工程实际上来看, 对于像移动电话这样的设备, 可以通过收发开关的转换以半双工的工作方式来实现系统工作时的收发隔离。目前对非同频全双工系统研究较少, 这主要是因为接收不同频时可以通过加滤波器来增加隔离, 保证系统正常工作; 但在导航通信机中, 由于系统发射功率很大, 而接收信号功率较小, 在信号功率相差很大的情况, 只通过加滤波器不一定能满足系统收发隔离的要求, 此时还要做一些相应的设计。

  本设计即从非同频全双工系统中所面临的收发隔离出发, 首先一般性的分析了全双工系统中收发隔离的理论与方法, 接着以非同频全双工系统为主,为系统的射频模块建立模型, 并结合该模型分析实现收发隔离的要求, 并提出相应的设计原则, 最后以北斗一代!手持机项目为背景, 设计和实现了一个接收机射频模块, 并将该射频模块接入到整机中进行暗室测试, 测试结果说明所设计模块的收发隔离性能良好, 验证了所做的理论分析和提出的设计原则。

  2 理论分析

  收发隔离问题常见于全双工系统中, 如电子干扰机、雷达、卫星通信机等设备。按设备工作时接收和发射频率相同和不同可以分为同频接收机和不同频接收机。一般的电子干扰机、雷达为同频全双工接收机, 而卫星通信机为非同频全双工接收机。

  对于同频全双工接收机, 由于发射和接收为相同的频率, 发射泄露造成的干扰信号与接收信号的频率相同, 无法通过滤波的方式来消除。在这种系统中,常见的方法是采用对消技术来消除干扰信号对正常接收信号的影响。图1所示为同频全双工接收机中信号对消方法的原理图。其中SR ( t ), IF ( t ),SC ( t)分别为天线间耦合信号, 所要接收信号和接收机产生的对消信号。图1中各个信号可以表示为:

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  当SR ( t ) 和SC ( t ) 等幅且相位相差90°或者270°时, 两者相互抵消, 则SOUT ( t ) = IF ( t)。

  对于非同频全双工系统, 收发隔离主要由系统的射频前端来实现。由于系统的发射和接收采用不同的频率, 则可以通过滤波的方式尽量消除发射时对接收信号的影响, 但仅通过加滤波器并不一定能实现收发隔离, 还需要有其它的相应设计。图2为提出的非同频全双工接收机射频模块的原理图。

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图1 射频模块原理图

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涘┑鐐村灍閹崇偤宕堕浣镐缓缂備礁顑呴悘婵嬫倵椤撶喍绻嗛柕鍫濈箳閸掍即鏌涢悤浣镐簽缂侇喛顕ч埥澶娢熻箛鎾剁Ш闁轰焦鍔欏畷銊╊敊鐠侯煈鏀ㄧ紓鍌氬€风粈渚€顢栭崟顖涘殑闁告挷鐒﹂~鏇㈡煙閹规劦鍤欑痪鎯у悑閹便劌顫滈崱妤€骞嬮梺绋款儐閹瑰洭骞冨⿰鍫熷殟闁靛鍎崑鎾诲锤濡や胶鍙嗛梺鍝勬处濮樸劑宕濆澶嬬厵闁告劘灏欓悞鍛婃叏婵犲嫮甯涢柟宄版嚇瀹曘劍绻濋崒娑欑暭闂傚倷娴囧畷鐢稿窗閸℃稑纾块柟鎯版缁犳煡鏌曡箛鏇烆€屾繛绗哄姂閺屽秷顧侀柛鎾寸懇椤㈡岸鏁愰崱娆戠槇濠殿喗锕╅崢鍏肩濠婂懐纾奸柣鎰靛墮椤庢粌顪冪€涙ɑ鍊愮€殿喗鐓¢、妤呭礋椤戣姤瀚奸梻浣告贡鏋繛鎾棑缁骞樼€靛摜顔曢柣鐘叉厂閸涱厼鐓傞梺杞扮閻楀﹥绌辨繝鍥ч柛娑卞枛濞呫倝姊虹粙娆惧剬闁告挻绻勯幑銏犫攽閸モ晝鐦堥梺绋挎湰缁嬫垵鈻嶉敐鍜佹富闁靛牆绻掗崚浼存煏閸喐鍊愭鐐插暞缁傛帞鈧絽鐏氶弲顒€鈹戦悙鏉戠仸閽冮亶鎮归崶鈺佷槐婵﹨娅i幏鐘诲灳閾忣偆浜堕梻浣藉吹閸o附淇婇崶顒€绠查柕蹇曞Л閺€浠嬫倵閿濆簼绨介柛濠勫仱濮婃椽妫冨ù銈嗙洴瀹曟﹢濡搁妷顔藉枠濠电姷鏁告慨鐑藉极閸涘﹥鍙忛柣鎴f閺嬩線鏌熼梻瀵割槮缁炬崘顫夐妵鍕冀椤愵澀绮堕梺缁樺笒閻忔岸濡甸崟顖氱闁瑰瓨绻嶆禒鑲╃磼閻愵剙鍔ゆい顓犲厴瀵鎮㈤悡搴n槶閻熸粌绻掗弫顔尖槈閵忥紕鍘介梺瑙勫劤椤曨厼煤閹绢喗鐓欐い鏃傜摂濞堟粓鏌℃担鐟板闁诡垱妫冮崹楣冩嚑椤掍焦娅﹀┑鐘垫暩婵參骞忛崘顔肩妞ゅ繐鍟版す鎶芥⒒娓氣偓閳ь剚绋撻埞鎺楁煕閺傝法肖闁瑰箍鍨归埞鎴犫偓锝庝簻缁愭稑顪冮妶鍡樼闁瑰啿绉瑰畷顐⑽旈崨顔规嫽婵炶揪绲介幉锛勬嫻閿熺姵鐓欓柧蹇e亝鐏忕敻鏌嶈閸撴艾顫濋妸锔芥珷婵°倓鑳堕埞宥呪攽閻樺弶鎼愮紒鐘垫嚀闇夐柨婵嗙墕閳ь兛绮欐俊鎼佸煛閸屾粌寮抽梻浣告惈閸熺娀宕戦幘缁樼厱閹艰揪绱曢敍宥囩磼鏉堚晛浠辨鐐村笒铻栧ù锝呭级鐎氫粙姊绘担鍛靛綊寮甸鍕仭闁靛ň鏅涚粈鍌溾偓鍏夊亾闁告洦鍓涢崢鐢告⒑閹勭闁稿鎳庨悾宄扮暆閳ь剟鍩€椤掑喚娼愭繛鍙夌矒瀵偆鎷犲顔兼婵炲濮撮鎰板极閸ヮ剚鐓熼柟閭﹀弾閸熷繘鏌涢悙鍨毈婵﹦绮幏鍛存嚍閵壯佲偓濠囨⒑闂堚晝绉剁紒鐘虫崌閻涱喛绠涘☉娆愭闂佽法鍣﹂幏锟�...

图2 射频模块原理图。

  假定图2中电路的各个参数如下: 接收机的接收频率为fR, 发射频率为fT; 接收和发射天线在fT和fR 频点上的隔离分别为IT 和IR; 功放输出信号功率为PT, 在fR 频段上产生的噪声功率为P n; 低噪放入口处的正常噪声功率为P n0, 其输入1dB 压缩点功率为P1dB _LN A, 增益为GLNA; 接收混频器的输入1dB压缩点功率为P1dB _mixe r; 考虑滤波器在fR 频点上的插损很小而近似忽略, 只计算它在fT 频点上的抑制为ILF; 考虑到隔离器在fT 频率上的插损很小而近似忽略, 只计算它在fR 频点上的抑制为ILI。结合该电路, 从实现收发隔离的角度来看, 电路设计中要遵守以下两条原则。

  原则1: 功放发射时耦合到接收通道中fT 频率上的信号功率不使接收通道饱和, 即:

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  原则2: 功放工作时耦合到接收通道中fR 频率上的噪声功率不影响正常信号接收。一般情况下,当耦合的噪声功率比正常接收的噪声功率小10倍时, 约使输入信噪比降低0. 4dB, 即认为耦合的噪声功率不影响正常信号的接收。用公式表达为:

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  3 设计实例

  本设计以 北斗一号!卫星导航系统中手持用户机的收发隔离为例来分析。由于我国的“北斗一代”卫星导航系统采用了双星有源导航定位体制, 用户在解算的过程中不仅接收卫星转发的询问信号, 还主动向卫星发射定位申请信号。 北斗一号!的体制决定了手持型用户机必须采用非同频全双工的工作模式。

在“北斗一号”卫星导航系统中, 卫星均为地面静止卫星( GEO ) , 下行链路的频率为fR =2491. 75MH z, 到达地面最小功率约为PR =- 127. 6dBm, 上行链路的频率为fT = 1615. 68MH z,为了保证卫星收到用户发射的信号, 设备的发射功率不应小于PT = + 40dBm。将接收机的射频模

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