基于RFTP的射頻接收機的設(shè)計及鏈路仿真

葛 勇

GE Yong

（華東師范大學 信息科學技術(shù)學院，上海 200241）

0 引言

射頻測試平臺RFTP是射頻領(lǐng)域設(shè)計生產(chǎn)的高效平臺，用于對射頻系統(tǒng)中的模塊電路、芯片或機器的測試。本論文基于的平臺共由八塊主要的電路板構(gòu)成，分別是PWR（電源板）、CLK（時鐘板）、CAI（數(shù)字控制板）、ADC（模數(shù)變換）、DAC（數(shù)模變換）、TX（射頻發(fā)射板）、RX（射頻接收板）和EI(PA)（擴展板/功放板），八塊電路板相互聯(lián)系并進行數(shù)據(jù)傳輸，其中每一板單板都可以單獨使用，起到信息處理、信號提供或模塊測試的作用。

本文重點介紹的是RFTP中射頻接收器RX的電路設(shè)計和基于Cascade軟件的功能仿真。RX的重要指標主要有噪聲系數(shù)、功率增益和三階截點。本RX設(shè)計的這三個參數(shù)分別為：噪聲系數(shù)設(shè)定為1.8dB；功率增益為67.6dB，設(shè)計時將其標準設(shè)計為70dB，留有2.4dB的設(shè)計余量；輸出三階截點OIP3的指標為+38dBm。

1 射頻接收機的電路設(shè)計

射頻接收器RX位于無線通信系統(tǒng)的最前端，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著整個通信系統(tǒng)。射頻接收機的主要任務(wù)是將發(fā)射機發(fā)射出的雙載波射頻信號變換為基帶處理部分能處理的基帶信號[1～3]。無線射頻接收機按結(jié)構(gòu)可分為超外差接收機、鏡像抑制接收機、零中頻接收機和低中頻接收機[1]。本系統(tǒng)中的接收機是改進版的超外差接收機，它可以適用于零中頻、低中頻和高中頻的通信，同時也可以通過旁路繞過RX接收機直接將接收的有用信號送入ADC電路板進行處理。

1.1 RX總體設(shè)計

本R X的設(shè)計指標為：頻率范圍800MHz～2620MHz，噪聲系數(shù)1.8dB，功率增益70dB，動態(tài)范圍為-125dBm～-45.7dBm，OIP3為+38dBm，Pout-1為15dBm，射頻通帶信號平坦度3dB，中頻帶寬內(nèi)信號平坦度0.5dB。總體框圖如圖1所示。

圖1 RX總體框圖

1.2 LNA部分設(shè)計

LNA（Low Noise Amplifier）是低噪聲放大器的簡稱，它是RX前端的第一個有源電路。本文設(shè)計的低噪聲放大器具體框圖如圖2所示，圖中SKY1、SKY2是由指令控制的射頻開關(guān)，A1、A2是放大器，R1、R2和R3是由電阻組成的衰減網(wǎng)絡(luò)。

圖2 LNA模塊設(shè)計框圖

當不用LNA時（如采用外部LNA），通過指令讓SKY開關(guān)接通直通通道，對本系統(tǒng)的LNA提供旁路功能，同時斷開對LNA模塊的電源供應(yīng)。當采用內(nèi)部LNA時，接通LNA模塊的電源，同時SKY開關(guān)通過指令接通LNA支路。

1.3 中頻放大器設(shè)計

中頻放大器IF_AMP（Intermediate Frequency Amplifier）是功率放大器的一種，同時具有選頻和放大的功能，即對特定頻段的功率放大能力高于其它頻段的功率放大能力。

本中頻放大器的特點是中心頻率固定為215MHz，帶寬固定為20MHz。電路框圖如下圖3所示，電路中，B為巴倫電路，它的目的是把兩個差分RF引腳的輸出結(jié)合為一個單端50Ω的RF信號，BPF1和BPF2為濾波器，A1、A2和A3為放大器，R1和R2為電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，起到匹配的作用。

圖3 RX的IF_AMP電路框圖

2 RX鏈路仿真及優(yōu)化設(shè)計

上一節(jié)對RX的整體及部分關(guān)鍵電路設(shè)計進行了詳細介紹，這一節(jié)將根據(jù)電路設(shè)計的模型，利用Cascade鏈路仿真軟件進行仿真。同時，根據(jù)鏈路仿真的結(jié)果，對具體的電路設(shè)計給出進一步優(yōu)化設(shè)計的可能性分析。

2.1 RX總體鏈路仿真

由于RX是用于測試平臺的，它既可以作為射頻接收機來使用，也可以僅僅只作為一個中頻放大器，或者也可以直接利用一次變頻后的中頻信號，同時，其工作模式既可以是零中頻（只有一次混頻）射頻接收機，也可以是高中頻（二次混頻）射頻接收機。下面僅對高中頻工作模式下的RX進行鏈路仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。零中頻工作模式下的RX鏈路仿真與高中頻工作模式的相類似。

2.2 優(yōu)化設(shè)計分析

從圖4鏈路仿真的結(jié)果可以看出，各指標基本符合設(shè)定的RX總體設(shè)計指標，特別是噪聲系數(shù)、功率增益和三階截點，鏈路仿真的噪聲系數(shù)為1.67dB，小于規(guī)劃的噪聲系數(shù)指標1.8dB（噪聲系數(shù)越小越好）；仿真結(jié)果的增益為69.99dB，與規(guī)劃的增益指標70dB幾乎相等，說明系統(tǒng)增益能夠滿足需求；系統(tǒng)的輸出三階截點（Output 3rd Order Intercept）為+36.31dBm，與設(shè)計初規(guī)劃的+38dBm基本接近，說明系統(tǒng)的線性比較好，能夠達到放大所需要放大的信號的要求。

圖4 高中頻接收鏈路指標仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果看，系統(tǒng)仿真達到了設(shè)計規(guī)劃的各個指標，但是在實際設(shè)計中肯定會受到環(huán)境及其它一些因素的影響，下面提兩點關(guān)于進一步優(yōu)化設(shè)計的建議：

1）關(guān)于設(shè)計中使用的電阻衰減器：設(shè)計中為了阻抗匹配，使用了很多的π型電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，這些原本阻值固定不變的電阻會因為使用環(huán)境的變化而發(fā)生阻值變化，從而引起失配，進一步導(dǎo)致系統(tǒng)的噪聲系數(shù)或其它設(shè)計指標偏離。可以考慮在設(shè)計中使用隨環(huán)境變化而變化的匹配網(wǎng)絡(luò)，減小失配情況的發(fā)生。

2）關(guān)于LNA前端加入帶通濾波器的考慮：由于本設(shè)計是直接將天線接收的射頻信號送入到兩邊有開關(guān)切換的LNA中進行低噪聲放大處理。但是在實際中，天線接收的射頻信號都含有很多雜散的低頻信號，所以如果用帶通濾波器對接收的信號進行一次初步過濾后再送入LNA中，能夠得到更好的信噪比。

3 結(jié)論

本文主要介紹射頻測試平臺RFTP中的射頻接收機（RX）的設(shè)計，對影響RX的參數(shù)進行了設(shè)計前的規(guī)劃，隨后對RX整體及部分關(guān)鍵電路進行了詳細的設(shè)計介紹，從電路框圖完全可以畫出相應(yīng)的硬件電路圖。最后利用仿真軟件Cascade對RX在高中頻工作模式下進行了鏈路的仿真，從鏈路仿真的結(jié)果可以看出，設(shè)計的系統(tǒng)完全能夠滿足使用。

[1] 姜兆國.超寬帶射頻接收機前端LNA和MIXER的研究和設(shè)計[D].天津：天津大學,2009.

[2] 葉榮科.低中頻數(shù)字接收機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計[D].天津：天津大學,2009.

[3] 鐘綿城,鐘升,周煦林.射頻接收機中帶通采樣速率選取研究[J].科學技術(shù)與工程,2010,10(29)：7286-7289.

[4] 李寶山,張香澤.915MHz射頻收發(fā)系統(tǒng)的ADS設(shè)計與仿真[J].中國集成電路,2010,8(135)：59-63.

[5] 宮波,李淑華.基于ADS的通信設(shè)備低噪聲放大器改進設(shè)計與仿真[J].電子設(shè)計工程,2010,18(2)：121-124.

[6] 南敬昌,梁立明,劉影.基于ADS微波功率放大器設(shè)計與仿真[J].計算機仿真,2010,27(5)：327-343.