機(jī)載超短波接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真

張宇暉

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都61003）

0 引言

機(jī)載超短波接收機(jī)在軍事通信系統(tǒng)及民用通信系統(tǒng)都有著廣泛應(yīng)用，近年來(lái)隨著高性能集成芯片的不斷發(fā)展，機(jī)載超短波接收機(jī)朝著寬帶、高靈敏度、高線性度以及高度集成化的方向發(fā)展。射頻前端處于整個(gè)接收機(jī)最前端，對(duì)整個(gè)接收機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用[1]，因此對(duì)超短波接收機(jī)射頻前端的性能需求也在不斷提升。ADS（Advanced Design System）軟件是美國(guó)Agilent 公司研發(fā)的通信系統(tǒng)仿真軟件，可用于射頻電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的仿真設(shè)計(jì)。本文根據(jù)某型號(hào)超短波接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求對(duì)射頻前端進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并利用ADS 對(duì)射頻前端進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)建模與仿真。

1 射頻前端方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)要求

射頻前端主要設(shè)計(jì)指標(biāo)包括接收靈敏度、噪聲系數(shù)、選擇性、信號(hào)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍和增益等。本文設(shè)計(jì)的射頻前端主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）輸入頻率范圍：225 MHz～450 MHz；

（2）噪聲系數(shù)：≤12 dB；

（3）接收靈敏度：≤?104 dBm；

（4）互調(diào)失真：≥80 dB；

（5）輸出中頻頻率：21.4 MHz；

（6）輸出中頻信號(hào)幅度：?30 dBm～0 dBm。

1.2 方案及工作原理

接收機(jī)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有零中頻結(jié)構(gòu)、低中頻結(jié)構(gòu)和超外差結(jié)構(gòu)3 種。零中頻結(jié)構(gòu)中本振頻率與接收射頻信號(hào)頻率相同，接收信道中頻為零，可以消除鏡像信號(hào)干擾等問(wèn)題，但存在直流偏置和本振泄露問(wèn)題，直流分量會(huì)導(dǎo)致信道中后級(jí)放大器飽和，影響整個(gè)接收信道性能，本振由天線輻射后會(huì)對(duì)干擾其他接收設(shè)備。超外差式結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛，其最大優(yōu)點(diǎn)是具有極佳的選擇性，同時(shí)由于多次進(jìn)行變頻，不存在直流補(bǔ)償和本振泄露問(wèn)題。超外差體系結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最穩(wěn)定、可靠的接收信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得精確的選擇性和靈敏度。本文綜合考慮各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)后，決定采用二次變頻的超外差結(jié)構(gòu)，接收信道的原理框圖如圖1 所示。

圖1 接收工作流程圖

信道工作原理及接收信號(hào)處理流程如圖1 所示。225 MHz～450 MHz 的接收射頻信號(hào)首先進(jìn)行射頻濾波及低噪聲放大，然后與高本振信號(hào)（1 315 MHz～1 540 MHz）進(jìn)行一次混頻，產(chǎn)生1 090 MHz 的高中頻信號(hào)，在高中頻上進(jìn)行濾波放大之后再與低本振信號(hào)（1 068.6 MHz）進(jìn)行下混頻，產(chǎn)生21.4 MHz 的二中頻信號(hào)，最后通過(guò)中頻放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大并在21.4 MHz 的中頻上進(jìn)行選擇濾波后送入后端數(shù)字信號(hào)處理。

超外差二次變頻結(jié)構(gòu)存在鏡頻干擾，為了抑制鏡頻防止信號(hào)失真，混頻電路一中頻信號(hào)選擇1 090 MHz，根據(jù)鏡頻信號(hào)可以計(jì)算得到鏡頻信號(hào)（射頻+2×高中頻）頻率范圍為2 405 MHz～2 630 MHz，該頻率距離射頻接收頻段較遠(yuǎn)，很容易通過(guò)帶通濾波器將鏡頻信號(hào)去除。同理二鏡頻（高中頻?2×低中頻）為1 047.2 MHz，可以通過(guò)后級(jí)低通濾波器進(jìn)行濾除。為了擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，在射頻及中頻電路設(shè)計(jì)了多級(jí)AGC 電路，防止各級(jí)電路因較大的輸入信號(hào)而飽和。

2 射頻前端系統(tǒng)建模與關(guān)鍵性能仿真及分析

2.1 系統(tǒng)電路建模

根據(jù)方案設(shè)計(jì)及指標(biāo)要求，對(duì)射頻前端進(jìn)行建模，仿真的原理圖以及各模塊的參數(shù)如圖2 所示。ADS 軟件中各項(xiàng)仿真工具的用法和原理已有多本專業(yè)書(shū)籍進(jìn)行詳細(xì)介紹和講解[2]，本文不再贅述，直接進(jìn)行電路各項(xiàng)指標(biāo)仿真。

圖2 仿真原理圖

2.2 接收靈敏度及噪聲系數(shù)

靈敏度是射頻前端的一個(gè)重要指標(biāo)，是指在給定后端解調(diào)所需要的最小輸出信噪比的情況下，射頻前端能檢測(cè)到的最小輸入信號(hào)的功率，靈敏度和信道多個(gè)指標(biāo)相關(guān)，由系統(tǒng)的中頻帶寬、調(diào)制方式、SNR（信噪比）、NF(噪聲系數(shù))來(lái)共同確定，其關(guān)系式如下：

式中，Prmin為接收靈敏度，單位為dBm；?174 dBm 為室溫下1 Hz 帶寬的熱噪聲功率（基底噪聲）；BW 代表射頻前端的系統(tǒng)帶寬，在本設(shè)計(jì)中為二混頻之后中頻濾波器的帶寬，單位為Hz；NF 為噪聲系數(shù)，單位為dB；SNR 為后級(jí)算法解調(diào)要求的信噪比，單位為dB。根據(jù)上式，可以采用以下方式提高射頻前端的靈敏度[3]：

（1）在射頻前端輸入端使用高增益低噪聲放大器，降低射頻前端噪聲系數(shù)，減少對(duì)后級(jí)電路影響；

（2）射頻前端在保證信號(hào)帶寬的情況下，中頻帶寬盡量小，降低信道帶寬帶來(lái)的噪聲功率；

（3）優(yōu)化后端信號(hào)處理算法，在保證射頻前端整機(jī)性能的前提下，降低系統(tǒng)對(duì)最小可檢測(cè)信號(hào)的信噪比要求。

可以看出，在信號(hào)帶寬和信噪比確定的情況下，噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)射頻前端的靈敏度起著決定性的作用，因此先對(duì)噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真。

噪聲系數(shù)定義為射頻前端輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值[4]，表示由于射頻前端內(nèi)部噪聲的影響，使得射頻前端輸出端的信噪比相對(duì)其輸入端的信噪比惡化的倍數(shù)。若系統(tǒng)是無(wú)噪的，有用的輸入信號(hào)和噪聲都被放大同樣倍數(shù)，但沒(méi)有任何額外的噪聲加入，則此時(shí)輸入、輸出信噪比相等，所以噪聲系數(shù)為1。通常，一個(gè)無(wú)源器件的實(shí)際噪聲系數(shù)約等于該元件的插損（衰減）。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)可由如下公式計(jì)算：

式中,NFn為各級(jí)器件噪聲系數(shù)，G為各級(jí)器件增益。可以看出對(duì)射頻前端噪聲系數(shù)影響最關(guān)鍵的是前級(jí)器件的增益和噪聲系數(shù)，適當(dāng)提高前級(jí)器件增益并且降低它們的噪聲系數(shù)，可以提高整個(gè)接收信道的接收靈敏度與輸出信號(hào)的質(zhì)量。因此為了降低信道噪聲，接收前端采用高增益低噪聲放大器，同時(shí)射頻濾波器在滿足鏡頻抑制比和頻段選擇性情況下，要盡量將濾波器插損做小[5]。利用ADS 軟件計(jì)算接收通道的噪聲系數(shù)，仿真結(jié)果如圖3 所示，圖中橫坐標(biāo)為器件編號(hào)（Cmp_Index），縱坐標(biāo)為系統(tǒng)噪聲系數(shù)（NF_Refin_Nolmage,單位為dB），仿真結(jié)果約為10.7 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

代入超短波調(diào)幅模式信噪比S/N 要求10 dB，BW=38 kHz，根據(jù)噪聲系數(shù)仿真結(jié)果可得到接收靈敏度為?107.6 dBm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：

2.3 增益預(yù)算仿真

增益表征射頻前端對(duì)信號(hào)的放大能力，是輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的功率比，射頻前端的增益決定了接收信道輸出信號(hào)的幅度，當(dāng)接收射頻信號(hào)輸入功率比較小時(shí)，信道中放大器等器件工作在線性區(qū)域，增益增長(zhǎng)斜率為常數(shù)，以dBm 為單位時(shí)系統(tǒng)增益等于鏈路中各器件的增益之和。

式中，G為各級(jí)器件增益。利用ADS 的交流仿真工具對(duì)整個(gè)通信鏈路進(jìn)行增益預(yù)算仿真，射頻前端增益的合理分配有利于提高系統(tǒng)的整體增益，使整機(jī)的增益提高到所需要的電平值，且能提高整機(jī)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)，提高系統(tǒng)的靈敏度。根據(jù)技術(shù)要求，射頻信號(hào)最小輸入值為?104 dBm，中頻輸出幅度為?25 dBm，故整個(gè)接收通道增益應(yīng)該設(shè)計(jì)為約?25?(?104)=79 dB。為了提高射頻前端抗阻塞能力和抗干擾能力，射頻濾波及混頻電路的增益分配比較低，中頻放大電路是射頻前端的主要增益實(shí)現(xiàn)部分。仿真結(jié)果如圖4 所示，圖中橫坐標(biāo)為器件編號(hào)，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)增益（OutPwr，單位為dB），接收通道的總增益約為79 dB，在輸入信號(hào)為?104 dBm 時(shí)，中頻輸出功率約為?25 dBm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖4 增益分配仿真結(jié)果

2.4 互調(diào)失真

由于射頻前端上非線性器件的影響，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)頻率的輸入信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收系統(tǒng)的前端，在系統(tǒng)輸出中除了基波及其各次諧波外，還會(huì)產(chǎn)生頻率之間交調(diào)帶來(lái)的新頻率分量，該現(xiàn)象即為互調(diào)失真。互調(diào)指標(biāo)的高低可以反映接收通道上混頻器等有源器件的動(dòng)態(tài)、線性度及各級(jí)濾波器的帶外抑制水平，進(jìn)而可以衡量射頻前端線性度[6]。

假設(shè)輸入信號(hào)為x(t)，則一般非線性系統(tǒng)可表達(dá)為：

假設(shè)存在兩個(gè)頻率接近的信號(hào)輸入系統(tǒng)，輸入信號(hào)為：

則系統(tǒng)輸出信號(hào)為：

可以看出系統(tǒng)輸出信號(hào)中存在二階、三階及更高階的交調(diào)信號(hào)，其中偶數(shù)階交調(diào)信號(hào)離輸入頻率較遠(yuǎn)，可以通過(guò)后級(jí)濾波器濾除，而奇數(shù)階交調(diào)信號(hào)與輸入頻率接近，在后級(jí)濾波器帶寬范圍內(nèi)，無(wú)法通過(guò)濾波器濾除，該信號(hào)將和正常接收信號(hào)一起直接進(jìn)入混頻器及后端各器件，最終對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響后端數(shù)字信號(hào)處理解調(diào)[7]。其中三階互調(diào)信號(hào)幅度最大，因此，射頻前端系統(tǒng)需要重點(diǎn)考慮三階互調(diào)失真的影響。利用ADS 軟件對(duì)互調(diào)失真進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5 所示，圖中橫坐標(biāo)為輸出頻率（freq，單位為MHz），縱坐標(biāo)為輸出功率dBm（1F2out），互調(diào)失真仿真結(jié)果為99 dB，滿足指標(biāo)要求。

圖5 接收通道帶外互調(diào)

3 結(jié)論

本文主要對(duì)超外差二次變頻結(jié)構(gòu)的機(jī)載超短波射頻接收前端進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并利用ADS 對(duì)射頻接收前端各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示射頻前端各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)具有靈敏度高、噪聲系數(shù)低、高線性度等特點(diǎn)。本文研究和仿真結(jié)果有助于實(shí)際工程應(yīng)用模擬和評(píng)估超短波接收機(jī)性能，有效提升研制生產(chǎn)效率。