一种全数字化、高效率的VHF电台发射机

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种全数字化、高效率的VHF电台发射机。

背景技术

超短波电台（VHF电台）在民用、军用通信中的应用非常广泛，其工作在VHF频段（30MHz-300MHz），相对于短波频段来说，该频段通信质量好，较为稳定，受昼夜和季节变化的影响小。VHF电台在机动环境中可以满足双方或多方语音通信的需求，当然也可以用作数据、指令传输的用途，是地面通信及地空协同通信的重要手段。

VHF电台主要由发射机和接收机组成。目前的VHF电台发射机基本都采用了数字调制方式，可以传输数据和数字话音，少部分还保留着模拟调频功能。采用数字调制技术的VHF电台发射机一般采用DSP处理器或者单片机将语音和数据信息进行一定的处理，并将其调制到VHF载波上。采用模拟调频技术的VHF电台发射机则直接采用话音信号调制VHF载波的频率。不论是采用数字调制还是模拟调制方式，调制后的VHF载波都通过射频放大器放大到一定幅度并经过滤波后，通过天线辐射出去。

目前的VHF电台发射机主要存在以下问题：第一，目前的VHF电台发射机结构较为复杂，包含多种功能电路，一般包括微处理器、射频放大器、滤波器、模数转换器、压控振荡器、锁相环、IQ调制器、功率放大器等部件，设计难度较大，电路元件的数量较多，也使VHF电台的可靠性受到影响。第二，目前的VHF电台发射机在架构上都比较专用，应用范围较窄，缺乏可重构的能力，当电台的应用场景确定后，这些部件的相关设计参数基本上就已经确定，很难在其他的应用场景中重用。第三，目前VHF电台发射机所采用的射频功率放大器一般都工作在A类、B类或者C类状态下，尤其当采用复杂的数字调制方式后，为了保证线性度，功率放大器一般都工作在A类，效率较低，导致发射机功耗较大，散热要求较高，导致VHF电台发射机体积和成本的增加。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种简化VHF电台的结构，降低成本，提高可靠性，大大降低发射机的功耗，满足多种应用场景的需求的全数字化、高效率的VHF电台发射机。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种全数字化、高效率的VHF电台发射机，包括数字处理模块、射频放大模块、滤波器模块和天线，所述数字处理模块接收已经数字化的信号，经过数字预处理后，进入调制器将数字信息调制到高速脉冲中，并输出差分数字脉冲串；所述射频放大模块放大数字处理模块输出的差分数字脉冲信号，并经滤波器模块滤波提取出需要的已调制载波信号，然后转换为单端信号，经天线辐射出去。

作为优选，所述数字处理模块通过FPGA芯片实现信号处理功能，功能可重构，包括依次连接的编码模块、数字调制模块、升采样模块和BPDS调制器。

作为优选，数字语音信号和数据信号首先经过编码模块进行纠错编码，编码后的数字信号经过数字调制模块进行调制，调制后的数字信号经过升采样模块，将采样率提高到射频载频的数倍，输入BPDS调制器。

作为优选，BPDS调制器将升采样后的数字信号编码成1bit的高速数字信号。经过BPDS调制器的噪声整形，在目标频带内获得足够的信噪比。

作为优选，BPDS调制器生成的高速脉冲串通过FPGA的高速串行接口输出，FPGA的高速串行口采用差分端口。

作为优选，所述射频放大模块包括驱动放大器和S类功率放大器，高速脉冲信号经过驱动放大器放大到一定幅度后，进入S类放大器放大。

作为优选，所述驱动放大器为两路独立的宽带放大器，或者为双路差分放大器。

作为优选，S类放大器包括放大管T1、放大管T2以及外围电路。

作为优选，所述滤波器模块至少设置有一个带通滤波器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）电路结构简单。本发明提出的全数字发射机仅包含FPGA、驱动放大器、S类功率放大器和滤波器等电路部件，相比现有技术，复杂度降低。

2）功能可重构。本发明提出的全数字发射机采用的数字化结构可以提供频率、带宽、各种调制方式等的可重构能力，通过软件的更改，可以满足多种应用场景的需求。

3）效率高。本发明提出的全数字发射机采用了开关类放大器（S类放大器），实际漏极效率可以超过60%。

附图说明

图1是全数字化、高效率的VHF电台发射机原理框图；

图2是全数字化、高效率的VHF电台发射机数字信号处理模块原理框图；

图3是全数字化、高效率的VHF电台发射机射频功率放大器原理框图；

图4是全数字化、高效率的VHF电台发射机输出滤波器原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，一种全数字化、高效率的VHF电台发射机，硬件主要包括两部分，一个是数字处理模块，在FPGA（现场可编程门阵列）芯片中实现信号处理功能；一个是射频放大模块，包含驱动放大器、功率放大器、滤波器和天线等。数字处理模块接收已经数字化的语音信号以及其他数据信号，经过一定的数字预处理后，进入BPDS（带通Δ∑）调制器。该BPDS调制器将数字信息调制到一连串的1bit（比特）高速脉冲中，并通过FPGA的高速串行接口输出差分的数字脉冲串。由于FPGA的高速串行接口的输出电平较低，因此采用驱动放大器放大FPGA输出的差分数字脉冲信号，放大到一定的幅度后，就可以驱动末端的S类功率放大器。S类功率放大器工作在开关状态，可以将高速差分数字脉冲信号进一步放大。放大后的高速差分数字脉冲信号经过差分滤波器提取出需要的已调制载波信号，并经过Balun（平衡不平衡转换）转换为单端信号，最后经由天线辐射出去。

如图2所示，数字处理模块所有功能在FPGA中实现，提供了功能可重构的能力，数字处理模块包括依次连接的编码模块、数字调制模块、升采样模块和BPDS调制器。

数字语音信号和数据信号首先经过编码模块进行纠错编码，可以采用RS码、Turbo码、LDPC码等等。编码后的数字信号经过数字调制模块进行调制，调制方式可以采用简单的调频、调幅，或者复杂的高阶调制。调制后的数字信号经过升采样模块，将采样率提高到射频载频的四倍，然后进入一个四阶BPDS调制器。BPDS调制器是数字处理模块的核心，它将升采样后的数字信号编码成1bit的高速数字信号。经过BPDS调制器的噪声整形功能，1bit量化所产生的噪声在整个奈奎斯特域的分布是不均匀的，在目标信号的频段内量化噪声密度较小，由于VHF电台的工作带宽较窄，通常在几十kHz以内，因此在目标频带内可以获得足够的满足要求的信噪比。虽然本发明采用了四阶BPDS调制器，但是BPDS调制器阶数的多少不影响本发明权利要求的保护范围。BPDS调制器生成的高速脉冲串通过FPGA的高速串行接口输出。FPGA的高速串行口都采用了差分端口，可以方便的与后级S类功率放大器连接，根据FPGA的档次不同，最高速率可达25Gbps。

如图3所示，射频放大模块包括驱动放大器和S类功率放大器，高速脉冲信号经过驱动放大器放大到一定幅度后，进入S类放大器放大。

驱动放大器可以采用两路独立的宽带放大器实现，也可以采用商用双路差分放大器芯片，平衡度更好。高速脉冲信号经过驱动放大器放大到一定幅度后，进入S类放大器放大。如图2所示，S类放大器由放大管T1和放大管T2，以及外围电路组成，放大管采用GaN（氮化镓）工艺。外围电路中，L11和L21为两个放大管的宽带馈电电感，C1为旁路滤波电容。R11、R12和R21、R22分别为T1和T2的栅极偏置电阻，保证T1和T2工作在开关状态。经放大后的高速差分脉冲信号输出到后端的滤波器模块进行已调载波信号提取。

滤波器模块至少设置有一个带通滤波器。如图4所示，L1、C1、L2、C2组成了LC二阶差分带通滤波器。该滤波器的阶数多少以及是否采用LC元件实现不影响本发明的权利要求。该带通滤波器可以将已调载波信号提取出来，并且抑制带外的量化噪声。L3和C3构成了一个Balun，实现差分信号到单端信号的转换。为了进一步滤除带外量化噪声，可以再增加一个高性能带通滤波器，该滤波器采用何种技术实现不影响本发明的权利要求。经过上述滤波器提取后的已调载波信号最后经过天线辐射出去。

本发明主要解决了目前VHF电台发射机设计中存在的三个问题。第一，目前的VHF电台发射机结构较为复杂，包含多种功能电路，如压控振荡器、锁相环、调制器、数模转换器等等，设计难度较大。另外电路元件的数量较多，也使VHF电台的可靠性受到影响。通过本发明，可以大大简化VHF电台的结构，降低成本，提高可靠性。第二，目前的VHF电台发射机在架构上都比较专用，应用范围较窄，缺乏可重构的能力。本发明所提出的软件可定义的全数字发射机构架采用数字化结构可以提供频率、带宽、各种调制方式等的可重构能力，通过软件的更改，可以满足多种应用场景的需求。第三、目前的VHF电台发射机的射频功率放大器普遍工作在A类、B类和C类状态，如果需要采用高阶的调制方式，则工作在A类，导致效率较低。本发明提出的全数字发射机采用了一种开关放大器（S类功率放大器），理论上漏极效率最高可以达到100%，可以大大降低发射机的功耗。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。