全双工系统中收发隔离的分析与实现

　　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:

　　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。

图1  射频模块原理图

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:

　　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:

　　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。将接收机的射频模块分为接收通道和发射通道两个部分， 具体设计如下。

　　3. 1  接收通道的设计

　　目前 北斗一代!导航业界内手持机天线在fR和fT 频率上的隔离度均可以做到10dB 左右。以功放的发射功率PT = + 40dBm 来算， 则耦合到低噪放入口的发射信号功率约为+ 30dBm。为使低噪放不饱和或稳定工作必须在低噪放和接收天线之间插入滤波器来抑制fT 频率上的泄漏功率。由级联系统的噪声系统定义[ 4] 可知， 插入的滤波器在fR 频段上的插损必须非常小而不至于显着的恶化接收通道的噪声系数。另外， 因为导航信号为弱信号， 而单级的射频放大芯片的增益有限， 所以实际中低噪放由几级芯片级联。为保障低噪放中各级芯片均不饱和，不仅要在低噪放入口处加滤波器， 在各级联芯片之间也应有滤波器。图3所示为接收通道的电路。

图3  接收通道原理示意图。

图4  发射通道原理示意图。

　　图3中滤波器1 和滤波器2在1616MH z上抑制分别约为47dB 和60dB 左右， 放大器1的增益约为17. 5dB， 输入1dB压缩点功率约为+ 3. 5dBm， 放大器2和放大器3相同， 它们的增益约为17dB， 1dB饱和输入功率约为- 11dBm， 接收混频芯片的1dB饱和输入功率约为- 8dBm。通过计算， P in1 = PT -IT - ILF = 40 - 10 - 47 = - 17dBm， Pin2 = P in 1 +GATF 34143 - 60= - 17+ 17. 5 - 60 = - 59. 5dBm， 在这样的输入功率下足以保证各级放大器和混频器均不饱和， 满足原则1中要求。

　　3. 2  发射通道的设计

　　出于成本的考虑， 手持机功放模块中所选择的功放芯片的饱和输出功率必然十分接近所要求的输出功率PT = + 40dBm。由于功放的发射功率接近其饱和输出功率， 功放很难完全工作在线性区域， 所以功放工作时不仅在fT 频段上有功率输出， 在fR 频段上也会相应的有噪声功率输出。若耦合到接收天线中的噪声功率Pn与天线入口处的正常卫星信号噪声功率Pn0相当， 将影响信号的接收。由于功放输出的带外噪声功率很大程度上取决于芯片本身， 一旦选定了功放芯片， 它的输出噪声功率就相对确定。

　　为了控制功放输出的fR 频段上的噪声功率， 有必要在功放和发射天线之间加一个隔离器， 增加对fR 频段信号的抑制。

　　如图4为发射通道所采用的电路模型。为了满足原则2中要求， 在末级放大器后接入隔离器来抑制带外的噪声功率。隔离器在2492MH z处的抑制有20dB， 另外ADS 仿真可知， 最后一级芯片在2492MH z处的增益约为- 11dB。实测发现， 在这样的电路设计下， 可以满足原则2的要求， 不影响接收通道的正常工作。

　　4  实测结果

　　将所设计的射频模块接入整机进行暗室测试， 调整接收机天线入口处的信号功率强度， 在接收机接收到的信号波束强度为47dBH z左右时， 进行连续定位测试。功放发射时， 信号接收波束强度基本无变化; 再降低接收机天线入口处的信号功率强度， 使接收机接收到的信号波束强度在门限电平44dBH z左右， 再进行连续定位测试， 发现功放发射时， 手持机无失锁现象， 只是接收信号误码率略有增加。

　　5  结  论

　　总结了全双工系统中收发隔离的理论， 着重分析了非同频全双工系统的特点， 并给合实际工程需要， 提出了一些设计原则。在 北斗一代!导航系统中手持式接收机的研发背景下， 由理论分析和所提原则， 制作了射频模块。经过整机测试发现， 该模块实现了手持机的收发隔离， 满足手持机全双工工作的要求， 证明了所提原则。目前该模块已成功应用于某产品中。