軟件無線電跳頻電臺接收機射頻前端設計

王燕君

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

軟件無線電跳頻電臺接收機射頻前端設計

王燕君

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

基于軟件無線電的基本要求和發展趨勢,提出了一種應用在軟件無線電跳頻電臺中接收機射頻前端電路結構,分析了接收機射頻前端的總體設計方案,包括前端各部分增益的分配、動態范圍的分配、噪聲系數及靈敏度的計算,討論了對器件選擇的考慮。實際測試結果表明,該射頻前端性能指標滿足設計要求。

軟件無線電;跳頻電臺;接收機射頻前端;靈敏度;噪聲系數;動態范圍

1 引 言

隨著數字信號處理技術的發展以及電子器件制作工藝的提升,A/D、D/A的采樣速率越來越高,數字處理不斷往射頻推進,采樣頻率已從基帶進入到了較高的頻率,信道可重構能力不斷得到提升,系統可以從中頻直接采樣,繼而進行信號處理[1]。本文所研究的接收機射頻前端是基于軟件無線電理論來設計和實現的,以達到建立一個通用化、標準化、模塊化的接收機射頻前端的目標。

本文綜合考慮了接收機射頻前端的各項指標,設計出了一種用于跳頻通信系統的接收機射頻前端,該接收機射頻前端具有靈敏度高、動態范圍大、噪聲系數低、線性度好等特點。

2 接收機射頻前端電路結構設計

本文所討論的接收機射頻前端采用超外差體系結構,其電路如圖1所示[2]。

該接收機射頻前端的工作頻率范圍為100～400MHz,一中頻頻率900 MHz,二中頻頻率70 MHz,天線饋送的射頻信號經過電調放大單元完成低噪聲放大后,與高本振混頻得高中頻900 MHz,然后通過兩級聲表面波濾波器濾波、放大,再與低本振混頻后產生70MHz的中頻信號,中頻信號濾波、放大處理后送信號處理模塊。

圖1 接收機射頻前端電路結構Fig.1 Circuit structure of the receiver RF front-end

該接收機射頻前端主要指標如下:靈敏度小于-113 dBm;動態范圍大于等于120 dB;中頻輸出功率范圍-20～-10 dBm;中頻抑制比大于等于90 dB;鏡頻抑制比大于等于80 dB;中頻選擇性:6 dB帶寬時大于等于68 kHz,60 dB帶寬時小于等于170 kHz。

3 接收機射頻前端總體方案設計

接收機射頻前端的設計,主要是根據所給出的接收機射頻前端性能指標,重點考慮靈敏度與動態范圍,而其他性能指標,如鏡像抑制比、中頻抑制比、倒易混頻、三階截獲點以及帶外衰減等都受靈敏度和動態范圍的影響,并與具體器件的性能有關,在做總體方案設計時可暫不考慮。靈敏度和動態范圍的設計主要涉及到前端的總體增益、總的噪聲系數和AGC動態范圍的確定。

3.1 接收機射頻前端增益分配與計算

增益分配的原則是有利于接收機射頻前端靈敏度及抗阻塞和抗干擾能力的提高。在對接收機射頻前端靈敏度及動態范圍都有要求時,電路設計時必須在兩個指標間作折衷考慮。根據技術指標:接收機射頻前端靈敏度為-113 dBm,中頻輸出功率范圍為-20～-10 dBm,計算中取-15 dBm,因此,總增益為

考慮到一定的冗余量和級聯匹配網絡,設計時將總增益確定為100 dB,100 dB的總增益在接收機射頻前端中的分配如圖2所示[2]。

圖2 接收機射頻前端增益分配Fig.2Gain distribution of the receiver RF front-end

3.2 接收機射頻前端動態分配與計算

考慮一種極端的情況,發射機輸出功率60 W,兩天線距離僅100 m,此時接收機收到信號強度為

式中,PT為發射機發射功率,此處取 PT=10 lg(60×103)=47.78 dBm;GT為發射天線增益,此處取GT=3 dB;GR為接收天線增益,此處取GT=3 dB;f為通信頻率,單位為MHz;L為通信距離,單位為km。

式(2)表明,在相同距離及其他參數相同的情況下,頻率越低,其電波在空氣中傳播時自由衰減就越小。取f=100 MHz,由已知數據計算得

當從天線接收到的信號進入接收機后,還要經過收發開關等無源有耗器件,因此將接收機射頻前端的動態上限定為282 mV(2 dBm)。接收機射頻前端的動態范圍為

考慮到一定的余量,設計時將接收機射頻前端的動態范圍確定為120 dB。

在電路的設計過程中,為確保要求接收機射頻前端的動態,采用射頻AGC和中頻AGC相結合的原則。為獲得120 dB的動態范圍,采用三組AGC級聯的方式。第一組AGC用來處理大信號,工作頻段高的AGC,采用PIN管結構的AGC來獲取30 dB的動態范圍。第二組采用兩級雙柵場效應管構成AGC,雙柵場效應管的一柵級用作RF輸入端,另一柵級作為AGC控制電壓的輸入端。由于雙柵分別連接,當AGC電壓控制放大器增益時,雙柵場效應管的輸入輸出阻抗基本不變,這組AGC可獲得20 dB的動態范圍。第三組AGC在IF級,由于頻率較低,用VGA-AGC來獲得70 dB的動態范圍[2]。

3.3 噪聲系數及靈敏度計算

高靈敏度實現依賴于整機噪聲系數的降低。系統噪聲系數可以由級聯系統的總噪聲系數公式計算。同樣,計算時需要把各級的增益換算為實際的倍數,再將計算出來的總噪聲系數換算成分貝值。噪聲系數計算公式為

由式(4)可知,前端噪聲系數對接收機的貢獻最大。接收機射頻前端采用高增益、低噪聲系數的器件有利于提高系統靈敏度。電調放大單元選用了低噪聲雙柵場效應管作放大管,該器件噪聲系數極低(近1 dB)。但由于設計中根據需要采用了功率匹配的輸入、輸出網絡、PIN管開關以及衰減器等,整個電調放大部分電路的噪聲系數在5 dB左右。接收機射頻前端各單元的增益與噪聲系數分布如表1[2]所示。

表1 接收機射頻前端各單元增益與噪聲系數分布(分貝數)Table 1 Each unit gain and noise figure distribution(dB number)

將表1中的接收機射頻前端各級網絡增益和噪聲系數的分貝數換算為自然數,如表2所示。

表2 接收機射頻前端各單元增益與噪聲系數分布(自然數)Table 2 Each unit gain and noise figure distribution(natural number)

根據公式(4)有

換算為分貝數為

要達到接收靈敏度的要求,接收機射頻前端中頻輸出的SNR至少應達到12 dB。根據靈敏度計算公式:

式中,S為接收機射頻前端靈敏度,單位dBm;NF為接收機射頻前端噪聲系數,單位dB;B為檢波前的中頻帶寬,單位Hz;SNR為信號檢波所需的(S+N)/N,單位 dB。

從理論結果可看出,此方案滿足技術指標的靈敏度要求。

4 接收機射頻前端主要器件的選擇

在選擇器件時主要考慮的性能指標是噪聲性能、三階截點以及對各種干擾的抑制性能等。下面主要討論幾個主要器件的選擇。

4.1 低噪聲放大器

低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)是接收機射頻前端的重要組成部分。首先,LNA位于接收機射頻前端的前端,要求噪聲系數越小越好;同時,為了抑制后面各級器件噪聲對接收機射頻前端的影響,要求有一定的增益,但為了避免混頻器過載產生非線性失真,增益又不能過大。其次,LNA所接收的信號很弱,因此低噪聲放大器必定是小信號線性放大器,但是受傳輸路徑的影響,信號的強弱又是變化的,接收小信號的同時又可能伴隨許多強干擾信號混入,因此要求LNA有足夠的線性動態范圍[3]。

基于以上幾點考慮,本設計采用型號為CX661D的雙柵MOSFET場效應管作為低噪聲放大器。該放大器具有極小的噪聲系數(1 dB),工作頻帶可達1 GHz,最高增益為17 dB,1 dB壓縮點13 dBm,器件指標滿足設計要求。通過改變增益控制柵對柵極的電壓,可使LNA的增益在0～20 dB范圍內變化。

4.2 混頻器

混頻器是接收機射頻前端的關鍵器件,混頻器是非線性器件,其動態范圍、變頻損耗、隔離度、交調性能等對接收機射頻前端的靈敏度、動態范圍、各種干擾抑制性能等有著非常大的影響。混頻器分為有源混頻器和無源混頻器,有源混頻器隔離度高且對本振的要求低,但是動態范圍、噪聲性能遠不如無源混頻器。

本方案兩次變頻混頻器均采用Mini-Circuits公司的TUF-5X型雙平衡混頻器。該混頻器的RF/LO頻率范圍為20～1 500MHz,輸出中頻范圍可從直流到1 000 MHz;變頻損耗約為7 dB;LO-RF隔離度為42 dB,LO-IF隔離度為32 dB;當本振注入為7 dBm時,可以承受1 dBm的RF信號。

4.3 AGC放大器

模擬前端的增益及動態范圍主要靠AGC放大器提供。本方案所采用的中頻AGC放大器AD8367是AD公司推出的一款可變增益單端IF放大器。它使用AD公司先進的X-AMP結構,具有優異的增益控制特性。由于在片上集成了律方根檢波器,因此它也是全球首枚可以實現單片閉環ACC的VGA的芯片。該芯片帶有可控制線性增益的高性能45 dB可變增益放大器,并可以在任意低頻到500 MHz的頻率范圍內穩定工作。采用級聯兩片AD8367可達到70 dB的AGC控制范圍。

5 實測結果

選取兩個有代表性的頻點對接收機射頻前端進行測試,圖3和圖4為各頻點接收機射頻前端所要求的最小可接收信號和最大可接收信號輸入時的輸出頻譜圖。

圖3 中頻信號頻譜圖@108 MHzFig.3 IF signal@108 MHz

圖4 中頻信號頻譜圖@399.5 MHzFig.4 IF signal spectrum@399.5 MHz

由圖3和圖4可看出,接收機射頻前端靈敏度指標、動態范圍及中頻輸出功率范圍指標滿足指標要求。其他指標測試結果見表3。

表3 實測結果Table 3 Test result

從表3可看出,所有指標均滿足要求。

6 結 論

本文在軟件無線電理論基礎上,對接收機射頻前端采用超外差式二次混頻結構,從實際測試得到的數據分析,在整個工作頻段內,接收機射頻前端靈敏度高、動態范圍大、抑制性能好,達到了預期的設計要求。

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WANG Yan-jun was born in Qixian,Shanxi Province,in 1974.She received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.She is now an engineer.Her research concerns RF communication.

Email:wyj-cx@sohu.com

Design of RF Front-end for Frequency-hopping Radio Receiver Based on Software Defined Radio

WANGYan-jun
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Based on the basis requirements and developing trend of software defined radio(SDR),a circuit structure of receiver RF front-end is proposed for the receiver of SDR-based frequency-hopping(FH)radio.The system design scheme of the receiver RF front-end is analysed,including distribution and calculation of every part′s gain and dynamic rang,and computation of noise figure and sensitivity.Consideration of selecting devices is discussed.Test result indicates the RF front-end meets the design requirements.

software defined radio;FH radio;receiver RF front-end;sensitivity;noise figure;dynamic rang

TN802

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.028

1001-893X(2012)06-0969-05

2012-03-27;

2012-04-24

王燕君(1974—),女,山西祁縣人,2009年于電子科技大學獲碩士學位,現為工程師,主要從事射頻通信的研究。