四合一天线合路器的控制与实现

[摘 要]介绍了一种基于FPGA控制的四合一天线合路器，文中介绍了该合路器的硬件结构，软件控制算法以及工程上的实现方法。

[关键词]FPGA；天线合路器；四合一

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）29-0285-01

在无线电天线通信系统中，目前市场上多数的天线合路器是两合路，即只有两部电台能够在一路天线上同时工作。随着移动通信技术的发展，两合路已经渐渐满足不了更多部电台同时在一路天线上工作的要求，本文所设计的四合一天线合路器正是在分析了目前市场使用需求的基础上自行研制的。该天线合路器可以实现四部电台同时工作在一路天线上的需求，具有插损小，隔离度大等特点。

1 衡量指标

2 天线合路器的硬件实现方案

天线合路器主要由控制单元、射频单元组成，其中射频单元又包括射频通道和滤波器组。天线合路器的射频单元内用多个滤波器覆盖VHF频段，射频通道内8位串转并锁存芯片CD74H C4094将控制单元的串行命令字转换成并行控制字，产生射频通道的控制电平选择射频单元滤波器的开启。当射频通道与对应的滤波器打开时，电台的信息通过射频单元及天线进行接收与发送。

天线合路器的控制单元是在数字综合板上实现的，天线合路器的数字综合板以FPGA为核心，电路包括4部电台的频率码输入端口、16X2液晶显示器，4X3键盘，LED指示灯，控制射频交换模块（CD74HC4094串转并锁存芯片）。

FPGA负责接收来自4部电台的频率码信息，并将频率码转换成相对应频率控制射频信道滤波器的开关信号。液晶显示器用来显示4部电台的工作状态和键盘设置信息。LED灯用来显示合路器的工作状态以及电台的收发状态。键盘用来设置输入信息，当某部电台出现故障时，可以手动进行射频通道的开启与关闭。控制射频交换模块的作用是将FPGA传送的串行命令字转成并行控制字给射频单元。FLASH模块用来存储FPGA程序。

3 天线合路器的软件实现方案

在天线合路器的硬件平台基础上，通过软件的编程，可以灵活地根据4部电台的频率码控制对应滤波器的开启与关闭。

3.1 天线合路器的控制方案

本文所设计的四合一天线合路器可以完成4部所处不同滤波器的电台在一路天线上同时发送信息，外部的移动电台分别在所对应的频率内进行接收的功能。同时4部电台也可以在一路天线上同时接收外部移动电台在对应频率上的信息。但是，当2部或者2部以上电台在相同滤波器内同时发送信息或者在相同滤波器内既有发送又有接收的情况下时，会导致电台无法正常的发送和接收信息，严重的情况会使电台接收大功率信号时而损坏，基于此情况，该天线合路器在控制模块中引入了冲突机制，本文将按照优先级高低将4部电台分为主台、属台1、属台2、属台3，其设计准则是：

当4部电台工作的频率互不冲突时，电台之间按照各自的频率发射和接收信息，此时不会发生冲突的现象； 当4部电台工作频率有冲突并处于发送状态时，按照电台的优先等级，将优先级高的电台通道打开，同时关闭与之冲突的优先级较低的电台通道；当4部电台中既有发送又有接收时，若冲突电台中有主台，则打开主台对应的通道，同时关闭与之冲突的电台通道，若冲突电台中只有属台，则将发射电台对应通道打开，关闭与之冲突的接收电台的通道；当4部电台都处于接收状态时，无论频率是否相同，都将电台对应通道打开，不发生冲突情况。

整个控制信道都是基于FPGA设计实现的，当有电台频率改变时，控制单元则改变对应滤波器通道并将其状态通过显示器和LED灯显示出来。若出现冲突情况，会及时发出冲突警告信息。

3.2 天线合路器的FPGA设计

FPGA是天线合路器中控制信道的关键。根据上述的FPGA在天线合路器中实现的功能，可以将FPGA划分成6个部分，具体功能如下：1、选频模块：接收4部电台的频率码，把频率码转换成对应频率，通过比较得出对应的滤波器号。判断电台之间是否出现冲突，将冲突警报传给LED灯显示出来。通过冲突机制的判断得到最终的滤波器的开关命令，送给射频交换模块。2、射频交换模块：当射频交换模块接收到滤波器的开关控制命令后，给对应的C D74H C4094模块写控制命令，控制滤波器的开关。3、键盘模块：可以手动控制滤波器的开启与关闭并将信息送给选频模块与液晶显示模块。4、液晶显示模块：将电台所处的当前频率和键盘设置信息实时地发送给液晶显示器。5、LED模块：将4部电台的收发状态和冲突警告信息发送到综合数字板上的LED灯。6、跳频模块：为了测试天线合路器的杂散大小，跳频模块模拟电台的跳频情况，可以在不连接电台的情况下测试杂散大小。

4 天线合路器试验测试结果

为了测试天线合路器的性能，组织进行了一系列试验，本文用频谱仪观测4部电台用小功率同时发送，其目的是判断合路器是否根据电台开启对应通道，4部电台分别在35 MHz、45MHz、 60.025MHz、以及87.975MHz上以小功率同时发送，测试结果表明该合路器可以根据电台送出的频率码实时开启所对应的滤波器。

实验1：进行三发一收干扰实验，即电台2、电台3、电台4同时大功率发送，电台1接收来自移动台的信息，测试数据如表1所示。

实验2：进行4发实验，即4部电台分别在4个频率上同时大功率发送，移动电台分别在4个频率上进行接收。测试数据如表2所示。

实验测试表明，天线合路器可以实现多部电台在不同频率通过一路天线同时发射或者接收，各部电台与移动电台之间通信质量良好，通信距离远，无干扰，各项指标达到设计要求。

5 结语

本文所设计的四合一天线合路器可以在VHF频段实现电台天线四合一的功能，即合路器输入来自4部电台，通过其输出到一路天线上，实现4部电台同时工作在一路天线。通过实际测试表明，该天线合路器系统运行稳定，达到了各项要求指标和功能。

参考文献

[1] 张鹏展，赵峰.天线与合路器的关系[J].邮电设计技术，2005，（11）：53-56.

[2] 陆捷.浅谈天线合路器的设计方案[J].中国水运，2009（4）：99-106.