基于超外差變頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓喆，陳雙，陳趙，戚磊

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫214082）

基于超外差變頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓喆，陳雙，陳趙，戚磊

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫214082）

近年來(lái)無(wú)線通信技術(shù)獲得了驚人的發(fā)展，而短波接收技術(shù)作為其中發(fā)展最為迅速的一個(gè)分支，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域，具有很高的研究與開(kāi)發(fā)價(jià)值。接收機(jī)射頻前端作為接收機(jī)重要組成部分，是接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵部件，它工作于射頻前置濾波器的后面。以接收機(jī)射頻前端作為研究重點(diǎn)，采用超外差變頻體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合數(shù)字頻率合成技術(shù)，完成了GMSK接收機(jī)射頻模擬前端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及到的技術(shù)，具有一定的創(chuàng)新和獨(dú)到之處。

超外差變頻體系，射頻模擬前端，接收機(jī)

0　引言

無(wú)線接收機(jī)的功能是在強(qiáng)干擾和噪聲存在的情況下能成功解調(diào)所需要的信號(hào)，接收功率是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離和周圍的環(huán)境函數(shù)。接收天線從外界接收的電磁波，不能直接送入解調(diào)器解調(diào)，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍和噪聲等的處理后才能解調(diào)。天線接收到的相應(yīng)射頻信號(hào)，先經(jīng)過(guò)一個(gè)前置射頻濾波器，然后就送入接收機(jī)的射頻模擬前端，射頻模擬前端的處理包括低噪聲放大、自動(dòng)增益控制、下變頻、濾波和中頻放大等過(guò)程。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本文的接收機(jī)設(shè)計(jì)中采用超外差體系結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌獠铙w系結(jié)構(gòu)通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈敏度，被認(rèn)為是最可靠的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。超外差體系結(jié)構(gòu)自發(fā)明以來(lái)被廣泛使用，位于低噪聲放大器LNA前面的射頻濾波器用于衰減帶外信號(hào)和鏡像干擾。使用可調(diào)的振蕩器，全部頻譜就被下變頻到一個(gè)固定的中頻IF上，在下變頻模塊之前使用一個(gè)外部鏡像干擾抑制濾波器，可以使鏡像干擾被大大衰弱，達(dá)到可接受的水平，在下變頻之后使用中頻濾波器可以正常進(jìn)行信道選擇，也可以對(duì)后面的各個(gè)模塊降低動(dòng)態(tài)范圍要求。超外差接收機(jī)雙變頻體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　超外差接收機(jī)雙變頻體系結(jié)構(gòu)

其中

本方案中GMSK接收機(jī)射頻模擬前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用超外差變頻結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括低噪放大（LNA）、可變?cè)鲆娣糯螅╒GA）、混頻器、濾波、中頻放大等部分的設(shè)計(jì)，總體方案如圖2所示。

圖2　設(shè)計(jì)中接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)

1.1LNA低噪聲濾波器電路設(shè)計(jì)

LNA的作用是將接收機(jī)接收的-107dBm～37dBm微弱電波，進(jìn)行放大后送到下一級(jí)。對(duì)于低噪聲放大器，其噪聲越小而增益越大時(shí)，特性越好。噪聲指數(shù)NF，表示放大器的噪聲特性。如圖3所示，設(shè)某級(jí)放大系統(tǒng)的噪聲指數(shù)為F（dB），該電路輸入信號(hào)的信噪比為Si，輸出信噪比為So，則F=Si-So。

圖3　噪聲指數(shù)計(jì)算示意圖

各級(jí)噪聲指數(shù)：F1 F2 F3……Fn

各級(jí)功率增益：G1 G2 G3……Gn

由圖3可知，上式的總噪聲指數(shù)，越靠后的項(xiàng)分母越大，項(xiàng)值越小，所以初級(jí)噪聲指數(shù)F1對(duì)總體噪聲指數(shù)的影響最大。具體設(shè)計(jì)時(shí)，LNA的增益與噪聲指數(shù)要根據(jù)通信距離、天線、發(fā)射功率、系統(tǒng)要求與性能等制作電平圖，據(jù)此設(shè)定。LNA電路是本接收機(jī)射頻模擬前端系統(tǒng)的第一級(jí)放大電路，是整個(gè)系統(tǒng)性能的重要組成部分。如圖4所示，為系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中完整的LNA電路模塊。當(dāng)采用8V電源供電時(shí)，調(diào)節(jié)可變電阻Rbias，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的+28dBm的增益指標(biāo)。直流電源供電（Vs），SGA6589Z芯片正常工作時(shí)要求電壓為4.9 V（Vd），電流為80 mA（Id），因此，根據(jù)上式可計(jì)算出Rbias≈39Ω。

圖4　SGA6589Z芯片連接圖（LNA電路）

1.2可變?cè)鲆娣糯箅娐吩O(shè)計(jì)

由于傳輸路徑上的損耗和多徑效應(yīng)，接收機(jī)接收到的信號(hào)是微弱且變化的，為保證信號(hào)還原或處理結(jié)果的可靠性，在接收機(jī)射頻前端頻電路中通常都設(shè)計(jì)有可變?cè)鲆娣糯螅╒GA）功能，使射頻信號(hào)在接收機(jī)的中頻輸出穩(wěn)定在一個(gè)很小的電平范圍內(nèi)。本接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用ADI公司生產(chǎn)的AD8367芯片。在設(shè)計(jì)中可變?cè)鲆娣糯箅娐分饕ˋD8367基本連接、阻抗匹配和數(shù)字電位計(jì)（AD5160）3部分，其整體電路如下頁(yè)圖5所示。

圖4中Cb1和Cb2是交流耦合電容，起隔離直流的作用。電感Lc為高頻扼流圈，防止芯片引腳6端的高頻信號(hào)進(jìn)入電源支路，Lc的值越大阻礙性越強(qiáng)。電容C3用于形成高頻回路，Lc雖然已阻礙高頻信號(hào)流向上支路，但仍有一些射頻信號(hào)會(huì)流入，因此，采用電容C3和地端形成高頻回路，使這些的高頻信號(hào)流回系統(tǒng)電路，C3的值越大越好。電容C1和C2起電源濾波作用。Rbias為偏壓電阻，阻值大小由下式給出，在LNA電路中，采用8 V

圖5　VGA電路設(shè)計(jì)原理圖

AD8367是一款通用型VGA放大器，適用于大控制范圍的壓控增益應(yīng)用，電路增益Av與控制電壓Vgain成正比。由于AD8367的增益控制率50 dB/V，所以在Vgain以電壓為單位時(shí)，電路增益Av可由此計(jì)算：Av=50Vgain-5，當(dāng)電路的線性增益控制范圍為-2.5 dB～+42.5 dB時(shí)，可由上式推算出Vgain所對(duì)應(yīng)的取值范圍為50mV～950mV。

1.3混頻電路的設(shè)計(jì)

在通信電路中，混頻實(shí)際上是一種頻譜的線性搬移過(guò)程，它使信號(hào)從某一個(gè)頻率變換成另一個(gè)頻率，在射頻系統(tǒng)中起著調(diào)制和解調(diào)的作用。在接收信號(hào)電路中，LNA和VGA將天線接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行放大，混頻器將該信號(hào)與本地振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行混合。在接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)中，混頻需將所接收的71MHz～109.5MHz射頻信號(hào)均降低為10.7 MHz的中頻信號(hào)。為達(dá)到頻率的變換，在設(shè)計(jì)中混頻器采用ADE芯片，該芯片的工作頻率輸入信號(hào)和本振信號(hào)是0.5 MHz～500 MHz，輸出中頻信號(hào)是DC-500MHz；它要求本振信號(hào)強(qiáng)度+7 dBm，輸入信號(hào)強(qiáng)度最高+1 dBm；平均轉(zhuǎn)換損耗為-5 dBm；LO-RF隔離度55dB、LO-IF隔離度40dB。

圖6混頻電路設(shè)計(jì)原理圖

圖6為該接收機(jī)射頻模擬前端電路接收信號(hào)f1（71MHz～109.5MHz）第一次混頻的情況。信號(hào)f0是本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)，f0=f1+10.7 M，即f0的動(dòng)態(tài)范圍為81.7 MHz～120.2 MHz。若將這兩種信號(hào)ω0（本振信號(hào)）、ω1（輸入信號(hào)）送入混頻器，就會(huì)產(chǎn)生ω0-ω1、ω0+ω1、3ω1-ω0、3ω1+ω0、5ω1-ω0和5ω1+ω0六種頻率成分，用濾波器取出所期望的ω0-ω1頻率分量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的下變頻。由于輸入混頻器的信號(hào)在一個(gè)頻率范圍內(nèi)，為了直觀表達(dá)，取一個(gè)頻率點(diǎn)ω1=71 MHz，相對(duì)應(yīng)取ω0=81.7 MHz，則混頻后產(chǎn)生的6種信號(hào)：

ω2=ω0-ω1=81.7M-71M=10.7MHz

ω3=ω0+ω1=81.7M+71M=152.7MHz

ω4=3ω1-ω0=3×71M-81.7M=131.3MHz

ω5=3ω1+ω0=3×71M+81.7M=294.7MHz

ω6=5ω1-ω0=5×71M-81.7M=273.3MHz

ω7=5ω1+ω0=5×71M+81.7M=436.7MHz

混頻時(shí)，送入混頻器的是在一個(gè)頻率點(diǎn)上的71 MHz中頻信號(hào)，對(duì)應(yīng)的本振信號(hào)需要81.7 MHz頻率。同理，混頻后產(chǎn)生10.7 MHz、152.7 MHz、131.3 MHz、294.7 MHz、273.3 MHz和436.7 MHz信號(hào)，然后用帶通濾波器取出所需要的10.7 MHz信號(hào)即可。濾波時(shí)，采用壓電陶瓷濾波器取出10.7 MHz的中頻信號(hào)，同時(shí)也可濾除雜波并限制信號(hào)的頻帶。在本接收機(jī)射頻模擬前端電路中，混頻后進(jìn)行中頻濾波，此處選用SFECF10M型號(hào)的壓電陶瓷濾波器芯片，中心頻率為10.7MHz，3dB帶寬為480kHz，輸入輸出阻抗330 Ω。系統(tǒng)的中心頻率為滿足設(shè)計(jì)中濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)。電路中的連接方式如圖7所示，芯片輸入和輸出端各接一個(gè)外部電感和一個(gè)耦合電容，由于該芯片輸入輸出阻抗330 Ω，因此，采用外部電感和耦合電容構(gòu)成LC匹配網(wǎng)路，使中頻濾波電路更好的工作于50Ω系統(tǒng)中。

圖7　壓電陶瓷濾波器芯片在電路中的連接方式

2　結(jié)論

采用射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計(jì)算機(jī)和可跟蹤直流穩(wěn)定電源對(duì)最終的接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)硬件實(shí)物進(jìn)行性能測(cè)試。記錄下波形中的典型值，再用MATLAB軟件繪制相應(yīng)波形。從圖8中可以看出，中頻濾波電路的心頻率為10.7 M，3 dB帶寬為480 kHz，具有良好的阻帶抑制作用，可以保證系統(tǒng)的噪聲性能，信號(hào)在帶外衰減速度非?？欤梢愿玫匾种聘蓴_噪聲信號(hào)，電路的設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)要求。

圖8　中頻濾波電路10.7MHz測(cè)試結(jié)果

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Design of Receiver RF Analogy Front-end System Based on Structure of Super Heterodyne

HANZhe，CHENShuang，CHENZhao，QI Lei
（China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China）

In recent years，the development of wireless communication technology has been developed，especially the shortwave reception technology is the most rapidly developing branch，which has a very high research and development value.Wireless communications technology has been widely applied to various fields of daily life.The receiver RF front end，as an important part of the receiver，is the key component of the dynamic performance.It works at the back of the RF filter.In this paper，as a focus on RF receiver，on the use of super heterodyne receiver dual conversion architecture，combined with digital frequency synthesis technology，completed the GMSK receiver RF front-end system design and implementation.Involved in the design process，has certain innovation and originality.

superheterodynereceiverdual conversionarchitecture，RF analogyfront-end，receiver

TN929.5

A

1002-0640（2016）10-0181-03

2015-08-13

2015-09-28

韓喆（1984-），男，江蘇無(wú)錫人，碩士，工程師。研究方向：無(wú)線通信。