射頻接收電路的改進及綜合測試

鄭文杰，郝文玲

(焦作大學 機電工程學院，河南 焦作 454000)

1 引言

近年來，隨著科學技術的飛速發展，無線通信技術快速融入人們的生活，無線通信系統產品越來越普及，已經成為促動當今經濟社會發展的重要因素[1～2]。無線系統由發射和接收兩部分組成，接收部分的核心射頻接收機位于無線通信系統的最前端，其結構和性能，直接影響著整個通信系統的靈活性和安全性[3～5]，其優良的性能對于保證通信質量尤為重要。因此基于無線通信射頻接收機的重要性，對于其設計方案需要進行不斷優化很有必要[9]。射頻接收的主要作用是從天線接收的眾多信號中選出基本頻帶所需的有用信號并放大[11]。現有的射頻接收電路存在模擬靈敏度和數字靈敏度較低，失真度較高，鄰道選擇性較低，雙信號選擇性較低，互調抗擾性指標較低，一致性較差等缺點。本文通過改進射頻接收機電路的壓控振蕩器電路、混頻器電路和中頻放大電路的設計，從而提高系統的穩定性、相位噪聲、接收通道增益、靈敏度、選擇性及雙信號抗擾性等。通過對改進后電路的綜合測試可以看出，主要指標獲得了滿意的結果。

2 射頻接收電路的基本模型

射頻接收電路模型如圖1[6，7]所示。射頻接收電路是把天線接收進來的帶有調制的射頻信號經低噪聲放大器(LNA)放大和帶通濾波后，送入混頻器，混頻器將其變頻為第一中頻信號，經過中頻放大、晶體濾波后進入音頻解調芯片，在解調芯片內經第二混頻器變頻為第二中頻信號，對第二中頻信號經過濾波、限幅放大、調頻解調轉變為基帶信號，把該基帶信號的幅度放大后輸出給基帶控制板。

圖1 射頻接收機電路模型

帶通濾波器主要是濾除衰減鏡像頻率f-2IF (282.3～286.3MHz)對接收機的干擾；混頻器是把射頻信號轉變為中頻信號；中頻放大是把中頻信號進行放大，以滿足相關要求；中頻濾波器是濾除中頻帶外的干擾信號；解調部分是把第一中頻信號轉變為第二中頻，經濾波、放大，解調出基帶信號。

通過對實際電路綜合測試，可以獲得本電路的工作帶寬在20 MHz(370～390 MHz)；接收模擬靈敏度≤-118 dBm(調制信號頻率1 kHz，頻偏3.5 kHz)；接收數字靈敏度≤-118 dBm(傳輸速率9.6 kbps數字誤碼率為5×10-2)；接收殘余誤碼率≤1×10-5(在接收數字靈敏度為-100 dBm時)；門限靈敏度優于接收數字靈敏度2 dB；鄰道選擇性≥60 dB@±25 kHz；雙信號選擇性≥70 dB@±50 kHz，≥75 dB@±100 kHz，≥80 dB@±1 MHz；互調抗擾性≥70 dB；中頻抑制性≥80 dB；像頻抑制性≥70 dB；動態范圍 ≥100 dB；失真度≤3.0%。

從這些主要技術指標可以看出，電路的模擬靈敏度和數字靈敏度較低，失真度較高，鄰道選擇性較低，雙信號選擇性較低，互調抗擾性指標較低，一致性較差，需要對電路改進，提高電路的各項指標，從而改善移動通信中的無線通信質量[8]。

3 電路改進

3.1 壓控振蕩器電路改進

壓控振蕩器是接收機的核心部分，它的輸出頻率范圍、輸出電平幅度、壓控靈敏度及其相位噪聲等都對接收機的各個指標起著關鍵的作用，而這些部分的好與壞又與壓控振蕩器的結構電路有著非常緊密的關系。鑒于目前接收機存在的問題，對其壓控振蕩器部分的電路進行了改進，改進后的電路如圖2所示。

圖2 壓控振蕩器電路

首先對壓控振蕩器的供電進行隔離和寬頻濾波處理：磁珠FB10把+5 Va電源部分和壓控振蕩器電路進行隔離，以保證兩部分電路不相互干擾；電感L21是一個高Q值的繞線電感，它把直流電源部分和壓控振蕩器的射頻部分進行有效的隔離，保證了壓控振蕩器的直流供電品質；C85、C86、C87、C89組成了一個組合濾波網絡，以10倍頻程的方式進行寬帶濾波，有效的保證了電源的品質和相關電路的可靠性，對整個電路的強壯性提供支撐。

壓控振蕩器電路主要由變容二極管D1、D2、D3、D4和振蕩管Q4以及相關的電容、電感等振蕩元件組成，其中電容C82、C83、C84、C88、C90、C91和電感L20必須使用高Q和高精度元件，只有科學的設計和高品質的元件相結合，才能保證頻率源的高穩定性和高相位噪聲。

壓控振蕩器電源部分的前端處理電路如圖3所示。這是一個高效的有源濾波電路，能對+5 V直流電源進行高效的單向濾波。由于C210接在三極管Q6的基極，而供電電流經過集電極和發射極通路，所以C210就可以選用小容量的電容，達到容量較大的電容的濾波效果，有效抑制電源文波，并顯著減小電容的體積，方便小型化設計。此電路由于濾波效果較好，被廣泛用于通信電路設計中。

圖3 壓控振蕩器電源前端濾波電路

對壓控振蕩器進行改進之后進行了測試，測得主要指標如下：振蕩幅度在1～3 dBm；壓控靈敏度≤4 MHz/V；相位噪聲 ≤-90 dBc/Hz @1 kHz，≤-120 dBc/Hz @10 kHz。可以得出：振蕩幅度一致性好、壓控靈敏度滿足范圍要求、相位噪聲改善3 dB左右，壓控振蕩器改進后的調試更加容易、方便，指標更優，接收靈敏度和抗干擾性得到了明顯改進。

3.2 混頻器電路改進

混頻器電路采用的是傳統的超外差方式接收電路。無線電信號由天線進來，經過低噪聲放大器的放大和濾波處理(RF)送到混頻器，同時還有一個本地振蕩信號(LO)送到混頻器[14]。混頻器電路是一個線性的頻譜搬移電路，實現的方法就是將兩個信號相乘，利用器件的非線性，輸出需要的中頻信號(IF)，就可以實現這個設計目的。此處使用的是一個無源混頻器，有一定的增益損耗，由后級的中頻電路進行增益補償，這個混頻器的3個端口RF、LO和IF之間有很好的隔離度，對不同頻率的信號可以進行有效的隔離，可以明顯提高接收電路的抗干擾性能及指標，三階互調截止輸出功率等對接收板也起著關鍵作用，為了使接收板的相關指標更合理，性能更優，改進后的電路如圖4所示。

圖4 混頻器內部電路

混頻器電路改進后的主要指標如下：混頻損耗為6.6 dB；1 dB壓縮點是23 dBm；本振和接收信號的隔離度是47 dB；本振和中頻信號的隔離度為38 dB；三階互調截止輸出功率是26 dBm。

混頻器電路改進后，本振、射頻與中頻間的隔離性和互調性得到改善，通話的品質和通信距離也得到了明顯改善。

3.3 中頻放大電路的優化

中頻放大電路除了對無線信號增益放大以外，還有一個功能，就是對中頻信號進行濾波，這里優選了一款日本大真空公司生產的晶體濾波器(MCF),對調制信號以外的雜散信號、干擾信號、無用雜波等進行過濾、抑制，提高電路的選擇性和通用抗干擾性；由于晶體濾波器(MCF)對帶內信號進行了很好的通帶保護，所以，解調信號的失真度得到了明顯的改善，普遍減小0.3%以上。

4 電路綜合測試過程

射頻接收電路改進后是否滿足要求，還需要對電路的指標進行測試[13]。主要指標有模擬靈敏度、數字靈敏度、失真度、鄰道選擇性、雙信號選擇性、互調抗擾等參數。通過實際測試，可以獲得電路改進后各項指標的變化[12]。

4.1 模擬靈敏度測試

模擬靈敏度的定義：在規定的頻率和調制下，使接收機輸出端產生標準信納比的最小輸入信號電平。

模擬靈敏度的測試方法：首先設置綜合測試儀為RX測試狀態，輸出相應的載波頻率，調制信號為1 kHz，頻偏為3.5 kHz的射頻信號，帶通設為0.3～3 kHz，將帶調制的射頻信號輸入到接收板；其次把接收板的AF_OUT輸入到綜合測試儀的AF_IN，使音頻信號幅度為250～400 mV，信納比不小于12 dB時的最小射頻信號即為模擬靈敏度。

通過綜合測試儀測試結果可以看出，新板模擬靈敏度的一致性較好，新板模擬靈敏度比舊板的模擬靈敏度提高了2～4 dB。

4.2 數字靈敏度的測試

數字靈敏度的定義：在規定的頻率和調制下，接收機解調輸出信號的誤碼率為5×10-2時的輸入信號電平。

數字靈敏度的測試方法：設置綜合測試儀為RX測試狀態，輸出相應的載波頻率，外接GMSK調制信號，將外加調制的射頻信號輸入到接收板，從接收板輸出的解調GMSK信號輸入到調制盒的接收GMSK，保證傳輸速率9.6 kbps數字誤碼率為5×10-2時的最小射頻信號。

通過綜合測試儀測試結果可以看出，新板數字靈敏度一致性較好；新板數字靈敏度比舊板數字靈敏度提高了2～4 dB。

4.3 失真度測試

失真度的定義：除去基波分量的失真正弦信號的均方根值與全信號的均方根值之比，以百分數表示。這個失真的正弦信號包括諧波分量、電源波動和非諧波分量。

失真度的測試方法：首先設置綜合測試儀為RX測試狀態，輸出相應的載波頻率，調制信號為1 kHz，頻偏為3.5 kHz的射頻信號，射頻信號的電平幅度設為-67 dBm，帶通設為0.3～3 kHz，將帶調制的射頻信號輸入到接收板；其次把接收板的AF_OUT輸入到綜合測試儀的AF_IN, 記錄失真度的數值。

改板前后失真度對比如圖5所示。

圖5 改板前后失真度對比圖示

從圖5可以看出，改板后的失真度整體明顯降低，信號質量比較好。

4.4 鄰道選擇性測試

鄰道選擇性的定義：采用離散信道間隔條件下，用等于一個離散信道間隔頻率值作為無用信號頻率偏離值，所測得的鄰道信號選擇性。

鄰道選擇性的測試方法如下。

(1)測試三通靈敏度：關閉射頻信號源，調節調制盒的基帶信號的輸出幅度，使綜合測試儀獲得3.5 kHz的頻偏，設定綜合測試儀輸出頻率f0，調節綜合測試儀的輸出功率使誤碼儀小于并接近為5×10-2，記錄此時的綜合測試儀的輸出功率，此功率值再回3 dB，即為該頻點f0的三通靈敏度。

(2)測試鄰道選擇性：綜合測試儀的輸出頻率為f0，幅度為三通靈敏值，射頻信號源的輸出頻率為f0±25 kHz(調制信號頻率1 kHz，頻偏3.5 kHz)。打開射頻信號源的RF輸出，調節其輸出功率，使誤碼儀小于并接近5×10-2，再將此時射頻信號源的輸出功率減去該點的三通靈敏度，得出的數值即為接收板在該點的鄰道選擇抑制比。

通過綜合測試儀測試結果可以看出，改板后的鄰道選擇性各板之間的一致性較好，且指標比改板前都提高了10～13 dB。

4.5 雙信號選擇性測試

雙信號選擇性的定義：采用離散信道間隔條件下，用等于幾個離散信道間隔頻率值作為無用信號頻率偏離值，所測得的就是雙信號選擇性。

雙信號選擇性測試方法：綜合測試儀的輸出頻率為f0，幅度為三通靈敏值，射頻信號源的輸出頻率為f0±50 kHz、f0±100 kHz 、f0±1000 kHz (調制信號頻率1 kHz，頻偏3.5 kHz)。打開綜合測試儀射頻信號源的RF輸出，調節其輸出功率，使誤碼儀小于并接近5×10-2，再將此時射頻信號源的輸出功率減去該點的三能靈敏度，得出的數值即為接收板在該點的雙信號選擇抑制比。

通過綜合測試儀測試結果可以看出，改板后輸出頻率為±50 kHz、±100 kHz 、±1000 kHz的雙信號選擇性各板間的一致性較好，雙信號選擇性比以前的舊板提高了7 dB左右。

4.6 互調抗擾性測試

互調抗擾性是指當接收機接到一個同時受兩個音頻信號調制的載波時，因非線性產后的非諧波失真，它表示由非線性引起的無用非諧波輸出信號分量的電平值與其中之一的有用信號電平值之比。

互調抗擾性測試方法為：綜合測試儀的輸出頻率為f0±200 kHz，幅度為三通靈敏度值，射頻信號源的輸出頻率為f0±400 kHz(不加調制)，使信號源與綜合測試儀輸出相同的功率，使誤碼儀的誤碼率為小于并接近5×10-2，再將此時的射頻信號源輸出功率減去該點的三通靈敏度值，即可得出接收板的互調抑制比。

改板前后互調抗擾性對比如圖6所示。

圖6 改版前后互調抗擾性對比圖示

從圖6改版前后互調抗擾性對比圖可以看出，改板后的接收板的互調抗擾性各板間的一致性較好，接收板的互調抗擾性指標提高了4 dB左右。

4.7 通話品質和通信距離測試

經過改進設計的設備性能穩定、一致性好、方便調試。為了進一步測試其最終性能，對照進行語音品質的測試，語音的可懂度提高了2%；對通信范圍進行了拉距測試，結果改善明顯，遠端極限通話距離提高了0.5 km。

5 結論與討論

隨著人們的生活水平不斷提高，無線通信技術的應用越來越廣泛，而射頻接收機會直接影響系統的信號接收性能和系統的結構完整性，需要對系統內部的每一個部分都進行綜合設計，使得各部分之間協調工作，以提高信號的傳輸質量[10]。本次電路改進設計是對接收電路的相關部分進行改進和優化，通過對本地振蕩器(LO)的壓控振蕩器的設計、混頻器的設計以及中頻放大濾波電路的改進[15]，徹底解決了原有的問題，比如：模擬靈敏度和數字靈敏度較低，失真度較高，鄰道選擇性、雙信號選擇性、互調抗擾性指標較低，一致性差，調試難度大等等。通過對電路改進后，提高了電路的相關各項指標。

通過對射頻接收機改進電路的實際綜合測試，可以得到接收機的主要指標不存在離散現象、一致性較好，改進后接收機整體指標有很大的提高，增強了穩定性和可靠性，改進效果較好。