【精品】便携式无线电监测设备项目方案1.0-(5)

便携式无线电监测设备项目方案1.0-(5)
便携式无线电监测设备项目方案讨论
初样便携式无线电监测设备存在的问题回顾和总结；
目前已调试出来的指标和客户要求指标的对比；
需要定义各个功能模块的位置，尺寸，模块之间的通信接口等；背板总线结构；
电源需求；
各个模块的测试和校准需求，整机校准和指标测试需求，是否需要测试系统（ATE）支持；
软件需求，包括外部接口和便携式无线电监测设备通信时的需求，以及模拟部分对软件的需求。

合理的时间节点计划制定，软硬件配合时间点。

便携式无线电监测设备项目方案1.0
前言
便携式无线电监测设备是基于SPI总线背板的、3U的模块化接收机，频段针对超短波（即20MHz至3000MHz），便携式无线电监测设备是为成都博锐思公司开发。

便携式无线电监测设备项目是BRS按照XXXX小型化监测测向系统要求研制的超短波接收机，该接收机由以下部分组成：
数字部分
中频板：单槽宽，采用BRS6630方案，即BRS6630 2.0
控制板：单槽宽，采用FCI板
时统板：基于XXXX600项目的时统板改造，统一按自定义子板设计，自定义接口参考BRS6409，自定义结构待定，可用于3U和6U 的载板及其机箱和便携式项目的中频板，载板除了支持PCI接口外，还支持SPI串口（不需要同时支持），用于便携式无线电监测设备时，载板需内置GPS模块（XXXX提供），是否支持北斗时间信号输入，GPS天线干扰问题待定。

背板：采用SPI总线背板，电源供电通过背板进行，连接器采用CPCI背板的连接器，结构参考CPCI背板
计算机板：用于显示和键控，中频板通过网口或SPI口与计算机板通信，计算机板要求提供2个网口，均通过背板J2提供。

便携式无线电监测设备项目的计算机模块是可装或不装的安装计算机模块时计算机可以通过网口或SPI口与中频处理板通信为此需要把CPCI （J1）口转为SPI（中频处理板为从板）方案采用FPGA实现该接口转接电路安装在背板上这部分电路原理设计由XXXX负责。

射频部分
本振模块：双槽宽，提供1、2、3本振频率，内置功分器（1、2、3本振各功分3路），提供SPI控制接口和外部参考频率源输入口。

射频模块：双槽宽，提供信号预选、下混频、中频滤波（最大
20M，最小30K）、AGC和MGC可选，SPI控制接口
信号源模块：双槽宽，提供校准信号源和调制信号源、输出开关，采用现有的在研信号源模块，SPI控制接口
其它部分
监测测向软件：在计算机上运行的应用软件，XXXX负责
测试软件：在计算机上运行的测试软件，XXXX负责
电源模块：提供接收机内部各部件电源，如射频模块、中频板卡、电子开关及测向天线等，外协给周工负责
机箱和其它结构：XXXX负责（含环境适应性和连接器等），参考另文便携式无线电监测设备项目结构。

总体方案
●背板设计
●可测试性设计：调试时TPS（关键点信号波形或JTAG测试口）
和使用时自检（板级故障测试、板内功能单元的故障测试）
●接地系统设计
●（理论上和工程上）干扰信号的统计和处理
●环境适应性：低功耗、振动和冲击（特别是对晶振、锁相环等电
路和连接器）、高低温、电磁兼容性、安全规范要求
组成原理
模块安装参考结构图
板级设计要求
本项目从整机到各个组成模块（板）均需要进行ICD文件设计，并通过评审后进入正式的详细设计。

ICD文件（即接口控制文件）内容包括：
●各个板子的功能和指标的详细定义
●各个板子之间的接口详细定义、电气性能详细定义
●各个板子的控制详细要求
●各个板子的驱动软件详细要求和流程图
●各个板上的测试口或测试点的详细定义
●各个板子的结构详细定义和连接器选型
所有器件和连接器等均应采用工业级器件。

中频板
1路或4路中频信号采集和数字信号处理
IF：21.4MHz
BW：20MHz
ADC：14bit 100MHz
数字信号处理
频率扫描
扫描步长：
600Hz（短波）/12.5KHz/25KHz/100KHz
扫描速度：>3GHz/s（扫描步长25kHz）
解调信号：AM、FM、SSB、CW
调制识别：AM、FM、DSB、USB、LSB、CW、 BPSK、QPSK 、2FSK、4FSK、4PSK、8PSK、8FSK、16QAM
滤波器带宽：150/300 /600Hz/1.5 /3 /6 /9 /15 /30/50/90/
120/150/ 300/625KHz/1.25/2.5 /5.0/10.0/20MHz
接口：
4个IF口、1个外时钟、1个触发I/O（来自于背板连接器）
8路SPI口
结构：3U单槽宽、CPCI板结构
工作温度：-40℃～+65℃
●控制射频前端的信号线应考虑不要交错、防止干扰、匹配处理、
时序、信号完整性、驱动能力等因素，防止在快速工作时出线控制不稳定问题。

●前端模拟输入电路、DC/DC电源电路、晶振电路、FPGA和DSP
电路等都需要考虑分别进行电磁屏蔽。

●为提高小信号动态范围，ADC前端注入白噪声信号。

●中频板与计算机通信可以通过网口和 SPI口这两种方式实现通
信。

A、输入信号描述
输入信号中频：70M/21.4M，交流耦合，50Ω
输入最大模拟带宽：20MHz（射频部分应提供20M,3M,300K,30K，矩形系数3dB：60dB<1:2.5，带内平坦度最好优于2dB，阻带最大抑制：>80dBc，阻抗50欧，滤波器档供中频选择）
输入信号功率：-60~+10dBm
输入采样时钟：100MHz/正弦波/>+5dBm/50Ω，相噪优于-
125dBc@1K
输入信号/时钟连接器：SMA
输入驻波: <1.5
输入假信号功率：<-75dBm
B、输出控制信号描述
控制信号：8个SPI （每个SPI 为：nCS ，SCLK, SDI, SDO ，均为3.3V-LVTTL 电平）,数字中频板对nCS ，SCLK, SDO 做驱动，要求各从设备对SDI 做74LV245的驱动，各模块的输出信号必须锁存；
GND
发端
注：上图的阻容值还未经过精确计算，但拓扑结构不变。

断信号
CLK
设备J15
输入
SPI 口输出
SPI 口输入
上图为J1的定义。

其中nINTA_IN 是各从设备给中频模块的中断线，各从模块应该是OC 门驱动，实现线与的功能；
GPS_PULS-SYNC_PULS+SYNC_PULS-GPS_PULS+
时统板
GPS_TIME+
GPS_TIME-
上图为J2的定义。

时统子板
时统子板安装于控制板上，对应的提供P1、P2连接器，其中P1定义如下：
(来自于中频板)说明：对于时统板，SPI_nCS，SPI_SCK，SPI_SDI，
SPI_nRST是输入信号，SpiSdo是输出信号；
P2定义如下：
时统板S P I 输出时统接口
说明：对于时统板SPI_O_nCS，SPI_O_SCLK，SPI_O_SDO，SPI_O_nRSET是输出信号，SPI_I_SDI是输入信号；
背板
便携式无线电监测设备将提供A 型不含计算机背板和B 型含计算机背板
背板组成如下图所示：
GPIO ： 数字部分电源： 射频部分电源： 点到点的SPI 信号线：
用于时统和同步的触发信号线： CPU 板和接口控制板通过PCI 控制：
a 、选装CPU 板时，接口控制板内置PCI 转SPI 桥，实现CPU 板控制其它板子，这时中频板和 接口控制板的SPI 接口主从控制需要交换。

b 、中频板J2连接器的C17-LAN_LINK ，用于机箱面板的工作指示灯；接法：5V->LED->LAN_LINK
数字部
c、中频板J1连接器的D6(TimeSysClk)与时统板的J1连接器的
D6(TimeSysClk)应连在一起；
e、SPI_RST#信号有中频板J1连接器的C5提供，但背板上需要放置一个1K的上拉电阻（上拉到3.3V）；
另外：
1、CPU板是可选模块，安装CPU板时，CPU板与外部的网络通信定义到前面板；不安装CPU板时，中频板与外部的网络通信定义到J4；
2、J4上要定义一个-5V(500mA)；
3、J3,J4在PCB绘制时，要把每个信号的定义都丝印出来
数字部分电源：+3.3V、+5V、+12V、-12V【定义参照CPCI J1】
射频部分电源：+3.3V、+5V、-5V、+12V、-12V、+24V【定义参照CPCI J1】
从左至右分别编号：1槽、2槽直到8槽，1槽固定安装计算机模块，2槽固定安装接口控制板（含时统子板），3槽固定安装中频板，其它各个槽分别安装本振、射频、信号源等模块。

背板基于SPI规范改造，采用点到点SPI通信，要求支持数据双向通信、触发、时统、并行同步性等。

数字电源和模拟电源分开供电
电源线与信号线分开布线
背板上的电源针脚：满足瞬态上电冲击要求
背板应考虑：信号完整性、电磁兼容性、结构坚固性
数字地和模拟地的处理：数字地和模拟地分开，是否需要共地在投板前确定
铺地处理：定位孔均和地相通，尽量增大与机壳接通的面积和点，PCB铺地和定位孔与机壳接触部分，均不覆盖绿油等绝缘面。

背板连接器未用针脚的处理：接地、标注NC
为降低背板数据线引起的干扰，数据通信时可控制数据线正常工作，不做数据通信时可控制不发时钟，使数据线等处于低电平或通过下拉电阻接地等状态。

1. 背板连接器各槽定义请总体根据现有模块情况给出；
2. 背板与机箱外部信号接口定义
如下：
16个GPIO
RS232口
LAN口
+5V DC
+12V DC
工作指示灯
电源指示灯
连接器1：陕西华达科技公司的J14A系列矩形连接器J14A-51ZJB 具体定义可根据PCB设计调整
其中，LAN口可选来自于计算机模块的网口，也可以选来自于中频模块的网口
连接器2：陕西华达科技公司的J14A系列矩形连接器J14A-38ZJB
3. 背板与电源模块安装方式
电源作为独立模块安装在背板和机箱后面之间，电源通过软线缆与背板连接，连接器采用ATX电源连接器（是否需要考虑屏蔽？）。

4. 要求数字电源与射频电源分开，电源模块参考电源部分方案
5. 数字模块有J1和J2
6. 射频部分的模块去掉J2，将J1作为SPI总线和射频电源入口7．背板上放置足够的退耦电容
8. 背板插拔不考虑支持带电插拔
模块结构
便携式无线电监测设备背板讨论
1.中频模块J2输出的音频接口在方案中未定义输出？
回答：取消J2音频接口到背板连接器到机箱面板
2.时统模块的输入信号定义在J2，但方案中未规定输入接口？
回答：机箱面板到背板连接器到时统模块槽J2
3.初步考虑背板各槽划分为三种类型
1)中频模块：P1、P2的定义按照现方案中相关内容执行
2)时统模块和控制模块：时统模块的P2按照现方案中相关内
容执行；控制模块为空；时统模块和控制模块的P1的电源
和地的定义与CPCI规范保持一致，SPI接口定义和射频模
块的SPI接口定义保持一致，选用CPCI规范中的JTAG接
口定义（JTAG signals: TDO TDI TCK TMS TRST#）作为各
模块的SPI接口定义（如下图所示）
数据IO方向相对于本模块定义（注意背板设计时需要进行数据线交换对接，即TDO接TDI、TDI接TDO）：
TDO 对应SDO
TDI 对应SDI
TCK 对应SCLK
TMS 对应CS
TRST# 对应Reset
射频区域的J1需要增加-5V和+24V定义：考虑到模块布线的方便，A5定义为-5V，B5定义为+24V
3)射频模块：去掉P2；P1上半部分作为射频电源入口；P1下
半部分作为时统信号、SPI信号入口（SPI信号定义和时统
模块及控制模块保持一致）
4．建议将背板电源连接器移至右边，这样便于数字电源和射频电源分区走线，并避免射频电源走线跨越数字电路。

5．背板厚度3.2mm，8层板，叠层顺序：GND、SIG1、GND、PWR1、PWR2、GND、SIG2、GND
6．背板PCB各层四周3~5mm覆地铜，并用过孔连接，表层不涂覆阻焊绿油，保持与机箱的良好接触；PCB四周打邮票孔，并切掉一半，从而使得整个PCB类似于一个接地腔体。

这种结构不建议区分数字地和模拟地，而是区分射频部分和数字部分的布线区域。

本振板和混频板
目前已调试出来的指标和项目要求指标的对比
系统指标：频率扫描速率>3GHz/s
本振板
结构参考结构方案
采用上海恒率电源定电压输出模块+QPO滤波模块
DC/DC模块要单独用一个电源地，与PCB整地用一个磁珠连接。

混频板
结构参考结构方案
●本振控制板由XXXX负责
●本振板、混频板的SPI控制电路由XXXX负责
●混频板的AGC控制需求由XXXX负责、AGC控制电路由
XXXX负责
●为解决AGC电路及其因时钟产生的干扰问题，时钟波形类似正
弦波，不用的管脚按吸收方式处理。

●电源均需要进行二次隔离、去耦等处理
●腔体结构考虑腔体效应问题、电磁屏蔽橡胶条、减少腔体内部隔
断的通孔
信号源板
3U 、双槽宽的CPCI模块的标准结构
背板接口：P1
背板控制：SPI
电源供电：+12V DC、-12V DC、+24V DC
控制电路：ALTERA CPLD EPM240T100I5（工业级）
频率特性
频率范围：9kH z～3GHz
频率分辨率：3Hz（载频<10MHz时频率分辨率优化至1Hz）
频率稳定度：±1ppm（采用稳定度为0.5×10E-7的晶振）
参考输出：0.35Vrms
电平特性
输出电平范围：-127dBm~10dBm（-120dBm以下不做指标考核）电平准确度：
≤±1.5dB（@POWER<-100dBm）
≤±1.0dB（@POWER>-100dBm）
输出接口具备关断功能
频谱纯度
SSB相位噪声：
≤-110dBc/Hz 偏移20kHz（500MHz典型值）
≤-100dBc/Hz 偏移20kHz (1GHz典型值）
≤-94dBc/Hz 偏移20kHz（>1GHz典型值）
谐波：≤-30dBc
非谐波：
≤-80dBc@10kHz 偏移>10kHz，载频<1GHz（典型值）≤-60dBc@10kHz 其它频率：偏移>10kHz
FM调制
速率：20Hz～80kHz
最大频偏：100kHz
FM误差：＜5%标称值
调制输入：内部，外部AC
AM调制
速率：20Hz～20kHz
范围：0～100%
AM误差：＜5%标称值±1%
调制输入：内部，外部AC
脉冲调制
通断比：＞80dB
上升时间：＜150ns
调制输入：内部，外部
其他要求
程控接口：SPI、串口RS232与RS485
供电:±12V +24V（纹波≤2%输出电压）
总功耗：≤35W(暂定)
体积结构：100mm（H）×160mm（W）×40.64mm（D）（PCB与腔体组成的模块）
输出接口：射频信号输出连接器：SMA-K
外部参考时钟输入：10MHz
内部参考时钟输出：10MHz
参考时钟连接器：SMA-K
环境适应性（与整机一起检验）
工作温度：-10℃～＋50℃
储存温度：-40℃～＋70℃
振动：正弦5～55Hz，随机10～500Hz（符合GJB 3947-2000 3类设备要求）
冲击：30g（符合GJB 3947-2000 3类设备要求）
注：环境适应性检验时间不含在研制阶段内。

直流电源
符合：CPCI Power规范即可安装于背板上使用也可以独立安装使用输入：+24V DC（最高输入32V，最低20V）
数字输出与总负载电流及其纹波：
●+3.3V DC 3A 负载稳定度和纹波峰峰值不超过
1%
●+5V DC 3A 负载稳定度和纹波峰峰值
不超过1%
●+12V DC 3A 负载稳定度和纹波峰峰值不超过
1%
●-12V DC 2A 负载稳定度和纹波峰峰值不超过
1%
模拟输出与总负载电流及其纹波：
●+5V DC 8A 负载稳定度和纹波峰峰值
不超过1%
●-5V DC 1A 负载稳定度和纹波峰峰值不超过
1%
●+12V DC 4A 负载稳定度和纹波峰峰值不超过
1%
●-12V DC 1A 负载稳定度和纹波峰峰值不超过
1%
●+24V DC 0.2A 负载稳定度和纹波峰峰值不超过1%
效率：>85%（负载60%以上）
参考：便携式无线电监测设备初样1.0功耗测试
实际进行电源设计时，预选器板和混频板按4个通道考虑，即4套板。

电源输出电压稳定度：低于1%
模拟电源纹波输出：低于1%
控制：开关输出（关断时，零功耗）、故障监测输出、电源输出开关、Standby输出等
保护：短路保护、过压保护、冲击保护、热保护、过流保护
工作温度：-45℃到100℃
结构尺寸：160mm X 100mm X 20mm
散热方式：发热部件通过导冷板在机箱壳体导热
电源输入输出连接：按CPCI Power规范
接地处理：浮地、实地、数字地、模拟地
其它：电磁兼容性
信号源的电源功耗如下表：
机箱
机箱参考CPCI机箱结构，可以上标准19英寸机架，散热应考虑支持空气对流方式散热（上后-下前）和无风扇传导散热（内装模块要求支持冷板安装），腔体内部（特别是晶体振荡器和锁相环电路）抗冲击，组成与布置示意如下图：
俯视图：
效果图：
EMC设计
系统接地设计安规设计。