DMR数字端机射频模块实现方案研究
发布时间：2021-05-12
摘要:本研究能够基于DMR协议标准，提出适用于DMR数字集群的通信手持终端射频模块，分析了射频模块技术指标以及具体实现问题，能够针对射频模块进行方案改进设计，包括整体结构锁相式频率合成器、锁相环调频电路、功率放大器等相关部位的设计，通过射频模块整体制作和调试之后，分析调试结果。
关键词:DMR;数字端机;射频模块;实现
DMR是由欧洲电信标准协会所提出的数字标准，能够遵循国内生产结构作为协议结构，使用TDMA的双实系接入法，各个突发包含两个时隙，每个时隙的间隔为30毫秒，保护时间为2.5毫秒。相比现有的集群通信标准来说，DMR产品技术先进并且成本低，具有一定的开放度，能够实现由模拟化到数字化的标准过度，目前在市场上DMR集群通信标准具有较广。
1调频模块技术指标以及问题分析
1.1射频收发机性能分析
从目前发射机系统上来看，其包括以下参数:频率误差是由未调制载波频率以及指配频率之间的误差，通常采用频率精度来表示，是指载波频率和指配频率的误差与指配频率之间的比值，通常要求DMA射频频率精度低于2ppm。输出载波功率是指基于未调制的基础上输入载波功率其中一个频率周期中发射器能够由天线辐射的平均功率大小，按照现有射频功率本身需要和国家标准规范，要求射频板输出功率可达到4瓦。临近功率是在信道划分中发射机注意一定导致的基础上，总输出功率是指在处于任意相邻信道带宽的功率，该功率对外界射频信号会形成干扰，在设计时需要实现有效抑制。结合目前电网的集群通信标准，要求射频发射器能够用于一切高于60DB的邻道干扰信号。频率转换时间是指DMR集群通信系统采用TD方式实现多指接入各个突发，包括两个时隙，即发送和接收，时隙的保护时间为2.5毫秒，主要是指在2.5毫秒内可完成频率合成器的收发转换等相关工作。射频板信号控制是实现对基带板射频时间转换，包括基带控制字符的写入时间，要求射频频率转换时间低于2.5毫秒，为确保射频合成器能够完成收发频率转换，要求射频转换时间为1毫秒。频偏是指调频波频率摆动幅度，其会从一定程度上影响调频拨调频带宽。除此之外，针对射频发射器，其包含发射频带和信道间隔等相关性能指标。针对接收机的性能包括系统增益，是指转换增益二端口网络转换增益，主要是指转换增益二端口。网络转换增益是送入负载功率除以信号源输出功率的数值，经过增益后从前向后仅需要逐级增益分配数并进行数据叠加。接收灵敏度是指该接收机能够接收微弱信号的能力，其可接受的信号越弱，表明其具有较高接收灵敏度，影响接收机灵敏度的因素包括噪声功率，内部噪声，信噪比以及等效带宽。一般来说，内部噪声越大，其F越大，输出的信噪比小，接收灵敏度低。对于所有电子电路来说，非线性失真具备非线性，根据现有的电路理论研究假设，可线性拟合非线性交流电路，进而为计算提供便捷，同时可满足实际设计需求，然而这种电路只能够用于无线电波毫米波等具体应用，主要是由于非线性会从一定程度上影响系统的操作，系统非线性和各元器件非线性通常是由内部结构以及生产工艺决定的，通常非线性会形成谐波，互相调制，交叉调制。
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1.2原射频板存在问题及分析
第一，收发频率转换时间较长，结合现有的研究由于对于DMR集群通信系统来说，使其保护时间间隔为2.5毫秒，是指在该阶段内能够完成频率的收发转换等相关任务，由同一个频率合成器共同进行信息收发，在处于规定保护时间内能够完成由发射频率到频率接收的数据转化，但在原射频板测试过程中频率合成器频率锁定时间长，锁定时间为3毫秒，其远超于时隙保护时间，因而无法实现双工通信。频率合成器锁定时间长，主要是由于频率合成器的芯片整体性能较差，无法满足高速锁定时间，因此无法在2.5毫秒保护时间内完成频率锁定。第二，网络滤波器具有较窄的带宽。环路滤波器在锁相式频率合成器中发挥重要作用，其带宽能够影响频率设定时间，如果其具备较宽网络带宽则会缩短设定时间，但需要满足条件，主要是由于当存在较宽的网络带宽时会存在失锁问题，因此在环路滤波器设计时应当遵循一定原则，选择宽度太宽。第三，功放电路无法正常运行，对于射频发射机来说已调信号功率较小，要想利用天线将一条信号辐射出去，需要由功率放大器放大信号才可满足通信需求。在电路设计电路设计过程中，功率放大器的设计也是整个系统设计的难点，需要信号放大到指定功率之后，提高增益使其具备良好线性，否则会存在一定程度的信息失真问题，要求具备良好匹配。对于射频发射机的功放电路，其无法采用一级放大信号放到指定功率，一般会接受二级或者三级放大信号处理，进而在这一过程中级间匹配是十分重要的。在原有功放电路中，一条信号功率可达到-15dbm，经过功放电路后，其信号为6dbm，但对于该芯片通过插电之后，信号功率会出现显著增加，芯片内部的温度会在短时间内快速升高，甚至还会存在部分元器件融化的问题，表明该功率放大器未能够实现有效级间匹配，导致信号能量无法准确传送到外部，而在内部电路中消耗，使芯片温度持续升高。
2射频模块改进方案设计
2.1整体结构设计
通过比较分析，在本研究中射频模块拍摄机可采用两点注入式锁相环调频方案，发射机是由环路滤波器、频率合成器、压控振荡器、一级以及二级功率放大器，天线，电子开关等模块构成，同时锁相环调频器是由压控振荡器、频率合成器以及环路滤波器构成，可通过两点注入式网络可将基带信号MOD加到频率合成器的参考矩阵和压控振荡器的变容二极管中，以实现两点注入式调频，由压控振荡器形成的调频信号可通过RF驱动放大之后，由两级功率放大器将其提高至4瓦，并由天线进行发射。
2.2锁相式频率合成器设计
在本射频模块中锁相环频率合成器也是其重要构成，在发射机中产生射频信号接收器提供本振信号中发挥重要作用。锁相式频率合成器是由三个部分构成，包括鉴相器、压控振荡器以及环路滤波器。比如对于鉴相器来说，可采用MBE5F63ul，其主要是由200兆赫兹高速前置分频器锁相环和600兆赫兹整数分频锁相环构成，在数字通信系统中可使用分数频率合成器，其具备分数分频功能能够满足高速锁定以及低相位噪声设计，利用串行总线数据选择电流值的定电流电荷泵电路。
2.3锁相环调频电路的设计
对于调频技术，调频信号可通过直接调频法以及间接调频法的方式产生，由于相比直接法来说间接法成本、复杂度较高，因此本研究可采用直接调频法，能够利用调频信号进行振荡器频率的控制，按照规律实现频率线性变化，针对压控振荡器其与FM产生器功能一致，主要由于振动频率与输入控制电压成正比例关系，双点注入式锁相调频主要是指在锁相环参考频率端以及VCO出入端加入预调制基带信号，进而可实现基带信号频率的一致性覆盖，进而降低低频调制的影响，该方法目前在数字调制以及现代模拟中具有较广的应用。从双点注入式宽带FM锁相调频电路上来看，采用4FSK调制法基带其可用于DMR集群通信系统中，通过数字以实现4电平映射，映射的位置可完成调频。为确保调制器具有良好的通过性能，一般采用两点注入式带宽调制结构，能够利用G1和G2线性网络以完成其他信号的传送。
3射频模块整体制作及调试
本研究对于PCB布局时可按照工作模块进行分区布局，RF板设计采用4层结构，顶层则为RF信号线，完整地为第2层，电源是第3层，底层走数字信号线以及电源线。在设计PCB板时，电源地线处理难度高，由于D线电源不会引发周边信号干扰以降低射频板的性能，因此需要做好电源和地线的路线工作，尽可能降低干扰，确保射频板性能。消除低线和电源线的噪音方法包括:在电源、地线之间可通过加宽电源，具有电容增加的方式，利用大面积铜线代替地线，在印制板中将空余位置与地线进行连接作为地线来使用，或者将电源和多层板地线各占一层。在具体电路调试过程中，可借助常用测量设备，本研究可采用射频分析仪、信号发生器、万用表、示波器等设备进行系统的硬件调试。
4测试板测试结果及分析
对接机构版和社评版，可通过DATA端口将控制字符写入基带板的MCU中，实现发射器频点的有效控制，借助MOD端口进行基带语音信号的输入，可以将由VCO构成的设备型号准确输入到对应的频谱分析仪中以实现数据测试。VCO信号测试包括压控灵敏度，频率可变范围，RF输出功率。通过研究发现，发射VCO起始频率为395兆赫兹，改变VCO电压之后其频率可变范围为395～449兆赫兹，该VCO压控灵敏度为11.94兆赫兹。从输出频率来看，由于测试板采用一级放大电路结构，在处于7.5伏运行电压下，最大输出功率为5瓦，基本能够满足系统要求的发射功率。针对锁相环性能测试指标，其具有较高精度，可通过射频信号，杂播抑制锁定时间，相位噪声等多个指标测试，可以发现，RF信号的精度较高，并且具有较强的稳定性，其误差低于规定的2ppm，其是符合现代数字化通信需求的，并且锁定频率跨度较大，锁定时间长，但锁定时间是满足系统频率转换时间，因此可满足双工通信需求。
总而言之，本研究针对DMR集群通信系统进行开发设计，对射频模块从整体方案设计到绘制原理图，PCB板制板和不同功能模块测试、射频板测试结果分析，通过研究发现，本次设计的DMR数字端机射频模块具有良好的适应性，其性能是符合预期设计要求的。——论文作者：张培宗
