王樂朋，張福洪，易志強

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，A/D的采樣速率越來越高，數(shù)字處理越來越靠近射頻前端，采樣頻率已從基帶進(jìn)入到了較高的頻率，系統(tǒng)可以從中頻直接采樣，進(jìn)行信號處理［1］。由于傳輸路徑上的損耗和多徑效應(yīng)，接收機接收的信號是微弱的且伴隨著許多干擾，因此接收機的主要指標(biāo)是靈敏度和選擇性。動態(tài)范圍是接收系統(tǒng)設(shè)計中的另外一個關(guān)鍵性指標(biāo)，表示為接收機在檢測噪聲基值上的弱信號和處理無失真的最大信號的能力［2］。而高靈敏度和大動態(tài)范圍是一對矛盾。本文根據(jù)超外差原理設(shè)計直擴接收機射頻前端，選用合適的元器件芯片。設(shè)計了一種具有靈敏度高，動態(tài)范圍大，噪聲系數(shù)低的特點。

1 接收機射頻前端的設(shè)計指標(biāo)

靈敏度是指接收機在滿足一定輸出信噪比條件下所能檢測的最小功率電平。靈敏度越高，則其能接收的最小信號功率就越低。設(shè)接收機可檢測到的最小功率電平為Pmin，則［3］:

式中，NF為系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，B為接收機帶寬?？梢婌`敏度取決于接收機的噪聲系數(shù)和所要求的輸出信噪比。而接收機的噪聲系數(shù)取決于各級元器件的噪聲系數(shù):

式中，F(xiàn)i為各級噪聲系數(shù)，Gi為各級的增益。

無雜散動態(tài)范圍(Spur-Free Dynamic Range，SFDR)又稱為瞬態(tài)動態(tài)范圍，主要描述了接收機在存在強干擾信號的情況下，對弱有用信號的處理能力，是接收機常用的一個技術(shù)指標(biāo)。其定義為:在系統(tǒng)輸入端外加等幅雙音信號的情況下，接收機輸入信號從超過噪聲門限3dB處到?jīng)]有產(chǎn)生三階互調(diào)雜散響應(yīng)處之間的功率范圍:

本系統(tǒng)主要需滿足的關(guān)鍵指標(biāo)如下:

(1)工作頻段2.4 －2.6GHz;

(2)接收機靈敏度－120dBm;

(3)接收機噪聲系數(shù)≤3dB;

(4)SFDR≥60dB。

2 方案設(shè)計與分析

一般來說，接收機的變頻方案主要包括超外差接收機方案、直接下變頻方案和數(shù)字中頻方案。它們有各自的優(yōu)缺點，超外差接收機技術(shù)比較成熟，選擇合適的頻率方案，干擾也比較少，中頻解調(diào)也很容易［3］。本系統(tǒng)選用超外差接收方案。

在超外差接收機中，通過一級或多級混頻實現(xiàn)頻率搬移。輸入頻率和本振頻率的關(guān)系:

由式4可知，對于一次諧波混頻，一個確定的本振和中頻頻率，總存在兩個輸入頻率滿足混頻要求，另一個不是所需要的接收頻率，即“鏡像干擾”［4］。要消除鏡像干擾可以通過變頻器前面的濾波器濾除。

本系統(tǒng)選取第二中頻為105MHz，選取第一中頻為500MHz。此方案拉大了射頻輸入信號與第一中頻的距離，減小鏡像頻率的干擾，改善輸出中頻信號的信噪比，并降低了對第一級濾波器的帶寬要求。

采用二次變頻，可以用高中頻來濾除鏡像，用低中頻來濾除鏡像和抑制鄰信道干擾?？梢越鉀Q中頻選擇的“靈敏度”和“選擇性”的矛盾。在系統(tǒng)有高的選擇性的條件下也可以實現(xiàn)高靈敏度。

另外，變頻器的噪聲系數(shù)一般很大，在10dB左右。根據(jù)級聯(lián)噪聲系數(shù)公式，變頻器前面需要一個噪聲系數(shù)小，增益高的器件，來降低變頻器的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)的影響。本方案選擇低噪聲放大器［5］。而越靠近信號輸入端，對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響越大，因此將低噪聲放大器放置在第一級濾波器之后，第一級混頻器之前。

為了得到大的無雜散動態(tài)范圍，需要采用大動態(tài)，即擁有高三階截點和高1－dB壓縮增益的混頻器和中頻放大器。特別是最后一級放大器的動態(tài)范圍，對整機的無雜散動態(tài)范圍的影響最大。

綜合以上多個因素的考慮，最終本系統(tǒng)射頻前端框圖設(shè)計如圖1所示。

圖1 直擴接收機射頻前端框圖

3 接收機射頻前端系統(tǒng)仿真

使用Agilent公司的ADS仿真軟件對接收機射頻前端進(jìn)行諧波及鏈路的仿真，如圖2所示。其中低噪放選用mini－circuits公司的SAV－541，一級混頻器選用ADL5801，二級混頻器選用CSM2－17，一級中頻放大器選用MGA－30889，二級中頻放大器選用ADL5535。

圖2 接收機射頻前端ADS仿真

對電路進(jìn)行鏈路仿真，得到各級噪聲系數(shù)和整機噪聲系數(shù)如圖3所示:

圖3 系統(tǒng)鏈路仿真的噪聲系數(shù)和增益

圖3(a)中，信號經(jīng)過第一級濾波器時，噪聲系數(shù)為1dB，經(jīng)過低噪放時為1.62dB，經(jīng)過第一級混頻器時，為2.6dB。之后就基本不再增加。圖3(b)表示各級元件的噪聲系數(shù)，橫坐標(biāo)為元件序號，從0號一級濾波器開始，依次排列。由鏈路仿真得系統(tǒng)級聯(lián)的噪聲系數(shù)為2.7dB，滿足系統(tǒng)的噪聲系數(shù)要求。而解擴解調(diào)所需要的最小信噪比為－22dB。根據(jù)式1計算可得，接收機的靈敏度為－120.3dBm，滿足系統(tǒng)的要求。

對電路進(jìn)行諧波仿真，得信號的輸入輸出頻譜如圖4所示:

圖4 輸入、輸出信號

輸入等幅雙音信號，頻率分別為2.4 995GHz和2.5 005GHz，功率為－40dBm。由圖4可知，接收機有較好的帶外抑制。如圖5所示，該接收機前端的三階互調(diào)失真IMD3=m1－m2=86dBc。三階截斷點TOI=1.5m1－0.5m2=39.74dBm。由式3可得系統(tǒng)SDFR為65.3dB。符合指標(biāo)要求。

圖5 三階互調(diào)仿真圖

4 結(jié)束語

本文分析了2.4－2.6GHz直擴接收機射頻前端的設(shè)計方法。結(jié)合開始提出的系統(tǒng)指標(biāo)，采用二次變頻超外差結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高靈敏度和大的無雜散動態(tài)范圍的接收機設(shè)計。運用所選擇的芯片參數(shù)，利用ADS進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果基本滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)，本方案設(shè)計合理。

［1］ 王燕君.軟件無線電跳頻電臺接收機射頻前端設(shè)計［J］.電訊技術(shù)，2012，52(6):969－973.

［2］ 馬景民.S波段高性能寬帶信道接收機前端系統(tǒng)的研制［D］.成都:電子科技大學(xué)，2007.

［3］ 陳邦媛.射頻通信電路［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:139－153.

［4］ 梁強.射頻頻譜分析儀的設(shè)計研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2006:11－13.

［5］ 潘振翮.一種靈活的導(dǎo)航接收機前端電路設(shè)計［J］.微計算機信息，2008，24(3):273－275.