莫程建，周勝源

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)、電子器件和工藝的發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換頻率也飛速提高，采樣頻率已經(jīng)從基帶進(jìn)入到了較高頻率，即可以從中頻直接采樣，繼而進(jìn)行數(shù)字信號處理。這也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)：軟件無線電技術(shù)[1]。寬帶射頻接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是滿足系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)的要求，盡可能減小元件數(shù)量、功耗和成本。寬帶射頻前端由于頻段的帶寬很寬，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能降低對后續(xù)處理能力要求[2-3]。但是，寬帶接收機(jī)存在一系列技術(shù)難點(diǎn)，如寬頻段信號鏡像干擾、頻率選擇、噪聲干擾、本振功率與穩(wěn)定功率輸出及高中頻增益等問題，在工程實(shí)踐中更有抗惡劣環(huán)境和高可靠性要求。這里提出了一種應(yīng)用在軟件無線電電臺的寬頻段接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案并對該方案的可行性進(jìn)行論述，最后利用射頻電路仿真軟件ADS2008[4]進(jìn)行系統(tǒng)的建模與仿真，實(shí)現(xiàn)5～925 MHz寬頻帶解決方法。

1 方案設(shè)計(jì)及可行性分析

針對軟件無線電的工作頻率范圍為5～925 MHz，如果選擇一次混頻結(jié)構(gòu)，則要求射頻信號分成若干個(gè)子頻段，分開處理，這樣就增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且一次混頻結(jié)構(gòu)對鏡像頻率信號的抑制度較低。綜合考慮后，該系統(tǒng)射頻前端接收部分采用三級混頻的結(jié)構(gòu)，通過改變第一級本振頻率，選擇接收5～925 MHz的射頻信號，經(jīng)3次混頻后輸出30 MHz固定中頻信號。射頻前端主要完成對信號的放大、濾波、混頻、衰減等功能 ，并提供對鏡像頻率、中頻頻率、互調(diào)信號等干擾信號的抑制[5]。射頻前端包括濾波器、混頻器、放大器及本振等單元，其原理框如圖1所示。

這種方案的最大的缺點(diǎn)是組合干擾頻率點(diǎn)多，這是因?yàn)榛祛l器不是一個(gè)理想的乘法器，而是一個(gè)非線性器件，會(huì)引入大量交調(diào)分量，并且鏡像干擾的現(xiàn)象最為嚴(yán)重[6]。目前隨著濾波器制造工藝的提高，與天線相連的濾波器會(huì)受到較大程度上的抑制鏡像頻率，三級中頻頻率的選擇必須綜合考慮射頻信號的接收，考慮本地振蕩器的可實(shí)現(xiàn)性和鏡像頻率的抑制性。第一級混頻通過上變頻方式把接收信號搬移到一個(gè)比較高的第一中頻1 575 MHz，通過控制端口改變第一級本振頻率，以適應(yīng)不同頻率的射頻信號。第二級混頻把1 575 MHz搬移到300 MHz，這時(shí)產(chǎn)生的第二中頻值比較高，這樣可以提高鏡像頻率抗擾性（接收機(jī)抑制鏡像頻率干擾的能力）。第二個(gè)帶通濾波器主要完成頻帶預(yù)選和濾除鏡像干擾功能。第二級混頻后經(jīng)過2個(gè)可選帶寬（5 MHz和20 MHz）的濾波器，得到1個(gè)300 MHz的窄帶信號。最后經(jīng)過線性放大器放大再經(jīng)過最后一級混頻，得到30 MHz的中頻窄帶信號。設(shè)計(jì)中有2個(gè)放大器，圖1中的第1個(gè)放大器為低噪聲放大器（LAN），LAN的設(shè)計(jì)，就是在增益、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、VSWR、穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行平衡折衷。由于LAN的噪聲系數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響很大，所以應(yīng)盡量選擇噪聲系能更優(yōu)的LAN。圖1中第二個(gè)放大器為高增益放大器，其承擔(dān)主要的放大任務(wù)，由于其工作的頻段較LAN的工作頻段低，所以實(shí)現(xiàn)其高增益也更容易、更穩(wěn)定[6]。

方案中所選取的各級中頻和本振，都必須經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算所產(chǎn)生的頻率組合，盡量不落入帶寬內(nèi)。文中多次用到的高中頻可有效避免組合干擾，極大減少虛假響應(yīng)。主要體現(xiàn)在：

1）能有效克服鏡像頻率的干擾。當(dāng)工作頻率較寬時(shí)，如果中頻較低，鏡像頻率可能會(huì)落入信號頻率范圍內(nèi)。比如對2～926 MHz信號，如果取第一中頻為300 MHz，那么當(dāng)FRF=100 MHz時(shí)，F(xiàn)LO=400 MHz時(shí)，鏡頻500 MHz在輸入寬頻頻帶信號內(nèi)，無法用濾波器消除。

2）有利于中頻泄露的抑制。比如對于2～926 MHz信號，如果中頻取帶內(nèi)任意頻率的信號，都會(huì)發(fā)生信號的直接泄露，僅僅由于混頻器端口的隔離度衰減為20～40 dB。

3）能有效避免中頻的低次諧波落入射頻信號帶內(nèi)。比如對于2～926 MHz信號，若去第一中頻為300 MHz，二次諧波600 MHz落入射頻信號帶內(nèi)，可能會(huì)再次混頻，產(chǎn)生干擾。

系統(tǒng)的性能取決于方案的設(shè)計(jì)，所以需合理選擇3個(gè)本振和3個(gè)中頻的頻率，仔細(xì)計(jì)算可能產(chǎn)生的頻率組合。采用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是改變接收頻段靈活，只要控制第一級頻率合成器的頻率，就可接收不同頻段的信號。而且該方案能達(dá)到很高的動(dòng)態(tài)、靈敏度和鏡像抑制，能滿足多種體制要求。

2 寬帶射頻前端接收系統(tǒng)仿真

通過前面的討論可知，方案采用三級混頻方案，合理分配增益，通過調(diào)節(jié)第一級頻率合成器，選擇接收所需要接受的頻段。整個(gè)系統(tǒng)的仿真圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)性能仿真

3.1 接收機(jī)頻帶選擇性仿真

接收機(jī)射頻前端的頻帶選擇性的好壞，主要由前端的選頻網(wǎng)絡(luò)所決定。本方案中的第一級混頻結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的可調(diào)濾波器，通過調(diào)節(jié)第一級本振的數(shù)值，即可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率。以設(shè)置本振為1.810 GHz，實(shí)現(xiàn)對235 MHz射頻信號的選擇。在ADS中搭建第一級混頻電路的仿真原理圖，如圖3所示。

由圖4可以看出，接收機(jī)在中心頻率235 MHz處最大增益為12.854 dB，也就是LNA的增益減去濾波器和混頻器的插入損耗。在偏離中心頻率25 MHz處有－19.255 dB的損耗，能很好抑制帶外干擾信號。

3.2 接收機(jī)射頻前端信道選擇性仿真

信道選擇功能主要由中頻濾波器完成。仿真電路圖是整個(gè)系統(tǒng)的原理圖。信道選擇性仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，中心頻率235 MHz處系統(tǒng)最大增益約93 dB；通頻帶為20 MHz時(shí)，增益為87 dB。一般接收信號都集中在離中心頻率10 MHz的范圍內(nèi)，帶內(nèi)波動(dòng)不大，因此不會(huì)導(dǎo)致接收到的信號產(chǎn)生較大失真。鄰道抑制達(dá)到－100 dB左右，優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 本振輸出功率對中頻輸出功率的影響仿真

設(shè)置接收機(jī)的輸入功率RF_pwr=-70 dBm，當(dāng)三本振功率 LO3_pwr從-30～-5 dBm變化時(shí)（間隔為 1 dBm），接收機(jī)輸出功率與LO_pwr之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，輸出功率電平隨著本振輸出功率的增加逐漸增大，當(dāng)本振功率大于0 dBm，輸出功率才逐漸趨于穩(wěn)定。對于接收機(jī)，足夠的本振輸出是保證系統(tǒng)指標(biāo)的重要前提，但是這與系統(tǒng)的低功耗又是一對矛盾，這需要根據(jù)需要在二者之間權(quán)衡。

3.4 接收機(jī)射頻前端噪聲系數(shù)的仿真

噪聲系數(shù)是接收機(jī)輸入信噪比RSN與中頻放大器輸出信噪比RSN之比[7]。N級電路級聯(lián)時(shí)接收機(jī)的總噪聲系數(shù)為：

式中，F(xiàn)in為總噪聲系數(shù)；F1…Fn為各級噪聲系數(shù)；G1…Gn為各級額定功率增益。

式（1）給出了重要結(jié)論：為了使接收機(jī)的總噪聲系數(shù)小，要求各級的噪聲系數(shù)小，額定功率增益高。而各級內(nèi)部噪聲的影響并不相同，技術(shù)越靠前，對總噪聲系數(shù)的影響越大。所以總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級，這就是接收機(jī)要采用噪聲系數(shù)比較低的LNA的主要原因。本方案的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，在235 MHz射頻信號的通頻帶內(nèi)的噪聲系數(shù)約為4.710 dB，噪聲系數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，這主要得益于第一級LNA的噪聲系數(shù)比較低，約為1 dB，由此也可以看出LNA的性能對整個(gè)系統(tǒng)性能的影響是至關(guān)重要的。

3.5 接收機(jī)射頻前端頻域響應(yīng)特性仿真

該仿真可以看到本方案接收機(jī)是如何將射頻信號的頻譜搬移到中頻的，也就是接收機(jī)的頻域響應(yīng)特性。假設(shè)接收機(jī)接收的是一個(gè)載頻為235 MHz，電平為-90 dBm的交流信號，設(shè)置最高次諧波次數(shù)為3。同樣，本地振蕩器也使用交流功率信號源，最高諧波次數(shù)也為3。由圖8可以直觀地看到輸入和輸出的頻率譜。中頻30 MHz輸出的頻率點(diǎn)比較純凈，各種諧波得到很好抑制，不會(huì)對有用信號造成干擾。

4 結(jié)束語

在研究軟件無線電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前的器件水平，針對5～925 MHz的寬帶射頻前端，采用三級混頻的超外差式中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的射頻前端接收機(jī)系統(tǒng)仿真平臺。由于前端選頻網(wǎng)絡(luò)利用混頻結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電調(diào)濾波器結(jié)構(gòu)，使得射頻前端結(jié)構(gòu)得以大大簡化。從整體的仿真分析可以看出，方案中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在軟件無線電射頻前端是可行的。

[1]鈕心析，楊義先.軟件無線電技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2000.

[2]Ludwig H，Bretchko P.RF circuit design:theory and application[M].Person Education， Inc， 2000.

[3]張嶸.寬帶高靈敏度數(shù)字接收機(jī)[D].成都：電子科技大學(xué)，2002.

[4]陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解——射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[6]鄒涌泉.一種軟件無線電寬帶射頻前端的設(shè)計(jì)[J]，電訊技術(shù)，2007，47（1）：68-70.

ZOU Yong-quan.Design of a broadband RF front end based on software defined radio （SDR）[J].Telecommunication Engineering，2007，47（1）：68-70.

[7]范博，杜平.現(xiàn)代無線通信電路設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.