寬動態范圍接收機射頻前端的設計與仿真

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江 杭州310018)

0 引 言

近年來，隨著數字信號處理器和現場可編程門陣列等數字處理器件的出現及計算機技術的發展，特別是軟件無線電技術的提出，使數字中頻處理成為現實[1]。接收機前端的主要功能是將接收到的高頻信號轉化為易于后續處理的低中頻信號，而接收機接收到的信號由于“遠近效應”，其功率是變化的，因此接收機射頻前端的性能指標將直接影響到后續的信號處理。本文根據超外差原理，利用自動增益控制結構設計寬動態范圍接收機的射頻前端，選用合適的元器件芯片，實現了接收機前端系統寬動態范圍、低噪聲系數、高靈敏度和中頻穩定輸出的指標。

1 接收機射頻前端的設計指標

靈敏度表征的是在輸出信噪比一定的條件下，接收機所能感應到的最小輸入信號，它衡量了接收機檢測微弱信號的能力，其與系統的噪聲系數NF、帶寬B、信噪比有如下關系:

而系統噪聲系數NF 取決于級聯系統中各級元器件的噪聲系數:

式中，Fi為各級元件噪聲系數、Gi為各級元件增益，n為元件級數。

本文接收機前端設計滿足的關鍵指標如下:工作頻段為1.65 1.75 GHz，中頻輸出頻率為105 MHz，中頻輸出帶寬為20 MHz，中頻輸出功率為0 dBm，靈敏度為-110 dBm，噪聲系數(最大增益)＜2.5 dB，動態范圍為100 dB，三階互調抑制＞40 dBc。

2 系統方案設計及可行性分析

接收機前端主要是從眾多電波中選出有用信號，并放大到解調器所要求的電平值，將射頻信號變為中頻信號。本文采用超外差接收機二次混頻方案，而超外差接收機由于混頻器的非線性，會將進入它的射頻頻率和本振頻率進行高次組合，若組合頻率落在中頻頻帶內，就會形成對有用信號的干擾，其中影響最大的是中頻干擾和鏡像干擾[2]。高中頻能使得鏡像頻率遠離有用信號，提高接收機的靈敏度，但同時會降低接收機對相鄰信道的抑制能力，所以中頻選擇考慮的是靈敏度和選擇性的折中[3]。主要考慮鏡像抑制、中頻干擾抑制和寄生干擾抑制等幾個方面。利用安捷倫公司的Genesys 軟件從頻率和幅度兩方面對中頻進行分析，射頻中心頻率為1 700 MHz，帶寬為100 MHz，第一中頻帶寬為50 MHz，雜散頻率的幅度大于-70 dB，得到第一中頻無雜散區域圖形如圖1所示。

圖1 無雜散區域圖

圖1中陰影部分代表無雜散區域，此處第一中頻選擇641 700 MHz 頻段中的680 MHz。

根據系統噪聲系數的級聯公式可以看出，接收機的噪聲系數與各級元件噪聲系數和增益有關，但主要取決于第一級元器件的噪聲系數，而且越靠近輸入端，對系統的噪聲系數影響越大，因此要獲得整機的低噪聲系數，必須在射頻前端接入具有低噪聲、高增益的放大器[4]。

此外，由于接收到的信號功率變化范圍很大，為了保證接收信號不失真，采用自動增益控制電路，壓縮有用信號的變化范圍，使系統輸出穩定信號[5]。本文采用射頻和中頻多級AGC 分段控制使輸出中頻電平穩定:射頻段和第一中頻采用可變增益放大器，分別可以達到50 dB和45 dB的控制范圍，第二中頻處采用AGC控制，有30 dB以上的控制范圍，這樣接收機的動態范圍可實現100 dB以上。

綜合以上多個因素的考慮，本系統射頻前端框圖設計如圖2所示。

圖2 射頻前端框圖

3 射頻前端系統建模與性能仿真

使用安捷倫公司的ADS 軟件對接收機射頻前端進行建模仿真如圖3所示，其中，低噪聲放大器采用Hittite 公司的HMC758LP3;射頻AGC的VGA 放大器采用HMC972LP5E;一級混頻器采用Analog Devices 公司的ADL5801;二級混頻器采用ADL5811;一級中頻AGC的VGA 放大器采用AD604;二級中頻AGC 采用AD605。

圖3 接收機射頻前端的ADS仿真

對接收機射頻前端-60 dBm，1.7 GHz 進行諧波仿真，輸入輸出信號頻譜圖如圖4所示。

圖4 輸入、輸出信號頻譜圖

輸入等幅雙音信號，-10 dBm，1.7 GHz和-10 dBm，1.701 GHz，得到仿真圖形如圖5所示。

圖5 三階互調仿真圖

從圖5可知，接收機的三階互調失真IMD3=m1-m2=44.802 dBc;輸入三階截斷點公式TOI =1.5 m1-0.5 m2，可得TOI為22.307 dBm。

對接收機最大增益時的噪聲系數和輸出功率掃描的鏈路仿真如圖6所示。

圖6 噪聲系數和功率仿真圖

從圖6(a)噪聲系數仿真圖可以看出，當接收機取得最大增益時，系統的噪聲系數為1.86 dB，滿足預期的噪聲系數要求。QPSK 相干解調在誤碼率為10-4時的信噪比為8.4 dB，根據式(1)可得，接收機的靈敏度為-129.94 dBm，最大動態范圍DR=2/3(TOI-Ps)=101.498 dB，兩個仿真結果都基本優于指標要求。

從圖6(b)輸出功率仿真圖可以看出，不同功率的輸入信號在各級AGC的分段控制下，輸出信號的功率都在所設置的功率范圍之內，最終中頻輸出功率也在0 dBm 附近波動，從而驗證了本方案中射頻AGC和中頻AGC的設計參數均滿足系統動態范圍的要求。

4 結束語

本文對寬動態范圍接收機射頻前端的體系結構進行了理論研究和分析，并對1.6 1.8 GHz的射頻段進行了ADS 建模和仿真。從仿真結果可以看出，在整個仿真頻段內，中頻輸出穩定，噪聲系數較低，動態范圍寬、靈敏度較高，達到了預期的設計指標，同時實現了系統增益的自動控制，驗證說明了本文所設計方案的可行性。

[1]伍越.基于ADS的接收機射頻前端的研究與設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2012:7-12.

[2]陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學出版社，2007:140-143.

[3]徐建，孫大有.無線接收機RF 前端研究[J].東南大學學報(自然科學版)，2000，30(3):136-141.

[4]劉強，馬戰剛.Ku波段雷達接收機設計[J].電子科技，2013，26(6):58-60.

[5]蘇明.短波接收機前端大范圍AGC控制電路的研制[D].武漢:武漢理工大學，2012:19-25.