(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

隨著人類進(jìn)入信息化時(shí)代，各種軍民用無線電系統(tǒng)及設(shè)備不斷增多,功能也越來越強(qiáng)大，信號(hào)形式紛繁復(fù)雜，空間的電磁環(huán)境越發(fā)復(fù)雜。某些電子系統(tǒng)中，為保證對(duì)微弱信號(hào)的接收質(zhì)量，要求接收系統(tǒng)具有高靈敏度；另外，工作環(huán)境又要求其具有強(qiáng)的抗干擾能力，因此對(duì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍提出了越來越高的要求，即要求接收機(jī)的雙音動(dòng)態(tài)范圍大。接收機(jī)的雙音動(dòng)態(tài)范圍取決于其三階截點(diǎn)的大小，但選用高三階截點(diǎn)器件需以犧牲功耗為代價(jià)，因而在設(shè)計(jì)接收系統(tǒng)時(shí)需要多方權(quán)衡。文獻(xiàn)[1-7]都是從理論上對(duì)接收機(jī)的雙音動(dòng)態(tài)(線性度)與三階互調(diào)截點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行了分析。本文以某工程接收機(jī)雙音動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)過程為主線,從分析其三階截點(diǎn)大小出發(fā)，合理選擇各級(jí)器件，設(shè)計(jì)了一款大動(dòng)態(tài)范圍、小功耗射頻接收機(jī)。

2 技術(shù)指標(biāo)分析與方案選擇

2.1 雙音動(dòng)態(tài)范圍分析

接收機(jī)的雙音動(dòng)態(tài)范圍表示在接收機(jī)輸入端加頻率很近的兩信號(hào)，當(dāng)輸出三階組合頻率恰好等于有用信號(hào)頻率的情況下，輸入信號(hào)的下限為靈敏度電平Pin,min，輸入信號(hào)的上限Pin,max規(guī)定為此輸入信號(hào)在輸出端引起的三階互調(diào)失真分量(IM3)折合到輸入端恰好等于靈敏度電平Pin,min[1]。接收機(jī)的三階截點(diǎn)(IP3)越大，相同信號(hào)下IM3越小，雙音動(dòng)態(tài)范圍越大。而接收機(jī)的IP3只決定于其本身的非線性特性，與輸入信號(hào)幅度無關(guān)，所以工程應(yīng)用上通常用IP3來衡量接收機(jī)線性度[3]。

接收機(jī)靈敏度電平(Pin，min)、噪聲系數(shù)(NF)、信噪比(SNR)、視頻帶寬(B)、輸入三階截點(diǎn)(IIP3)、最大輸入電平(Pin，max)、基底噪聲(Ft)之間的關(guān)系如下式[2]所列：

Pin,min=-174 dBm/Hz+NF(dB)+

10 lgB+(SNR)o,min=Ft+(SNR)o,min

(1)

3Pin,max=2IIP3+Pin,min

(2)

DRf(dB)=[2IIP3(dBm)+Ft(dB)]/3-

[Ft(dB)+(SNR)o,min(dB)]

(3)

根據(jù)本接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求，將SNR=0、Ft=-125 dBm、NF=5 dB代入式(1)，得到中頻輸出帶寬為25 kHz。

把SNR=0、Ft=-125 dBm、DRf=55 dB代入式(3)，得到輸入三階截點(diǎn)IIP3=-42.5 dBm，同時(shí)在70 dB增益的要求下，可計(jì)算出此接收機(jī)的輸出三階截點(diǎn)OIP3=27.5 dBm。

把Pin,min=Ft=-125 dBm、IIP3=-42.5 dBm代入式(2)，計(jì)算出此接收機(jī)最大輸入電平Pin,max=-70 dBm。

但接收機(jī)的IIP3與各級(jí)聯(lián)非線性器件的IIP3之間存在下列關(guān)系[2]:

(4)

式中，A1為第一級(jí)器件的增益，A2為第二級(jí)器件的增益。

式(4)表明：系統(tǒng)的IIP3小于每一級(jí)的IIP3，并且前級(jí)的增益越大，對(duì)后級(jí)器件的線性度要求越嚴(yán)；系統(tǒng)的IIP3只與最后一級(jí)非線性器件的IIP3有關(guān)，而與其增益無關(guān)。所以在器件的選擇上要考慮前級(jí)放大器的增益盡可能小，末級(jí)放大器的增益盡可能大。這樣對(duì)鏈路中前級(jí)非線性器件的要求降低，功耗減小。

2.2 方案選擇

由于輸入頻率范圍接近倍頻程寬帶，為防止諧波、一中頻、鏡頻造成虛假響應(yīng)，結(jié)合系統(tǒng)使用環(huán)境、輸入輸出頻率關(guān)系，電路采用三次混頻方案。簡單的電路框圖如圖1所示。

圖1 電路框圖

從接收機(jī)的三階截點(diǎn)考慮，圖1電路中，前級(jí)的低噪聲放大器主要是保證噪聲系數(shù)不受后級(jí)電路的影響；一中、二中放大器主要是抵消混頻器和濾波器的插損；增益主要由三中頻放大器提供。這樣，此接收機(jī)對(duì)器件三階截點(diǎn)的要求主要集中在末級(jí)和末前級(jí)的放大器上，可選器件范圍拓寬很多。

3 電路實(shí)現(xiàn)及仿真

3.1 電平分配及OIP3的計(jì)算

根據(jù)上述分析結(jié)果并結(jié)合圖1，各級(jí)器件的增益、OIP3、噪聲系數(shù)，以及在大、小信號(hào)下電平分配關(guān)系如表1所示。

表1 電平分配

從表1可以看出，所有器件中三階截點(diǎn)最小的是混頻器，所以三混前在電平分配上一定要保證混頻器在大信號(hào)下的線性余量。

3.2 OIP3的仿真計(jì)算

把各級(jí)器件的噪聲系數(shù)、增益、輸出三階截點(diǎn)參數(shù)代入工具軟件AppCAD，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，此種情況下接收機(jī)的輸出三階截點(diǎn)約為31 dBm，雙音動(dòng)態(tài)范圍約為57 dB。

圖2 三階截點(diǎn)和雙音動(dòng)態(tài)的計(jì)算

3.3 雙音動(dòng)態(tài)范圍的仿真

參照?qǐng)D1及圖2，利用ADS仿真軟件搭建原理圖進(jìn)行諧波平衡仿真。輸入端加了f0+spacing和f0+2×spacing(spacing=50 kHz保證混頻后兩基波均落在帶內(nèi))2個(gè)等幅信號(hào)，在3個(gè)混頻器之后均設(shè)有觀測點(diǎn)Vout1、Vout2、Vout3及輸出端Vout，以便觀察其互調(diào)大小，其框圖如圖3所示。

輸入電平設(shè)為-70 dBm，仿真得到各觀測點(diǎn)的互調(diào)輸出如圖4所示。因涉及具體工程項(xiàng)目的頻率關(guān)系，圖中對(duì)頻率作了相應(yīng)處理。從圖4中可以看出，此時(shí)前3個(gè)測試點(diǎn)的輸出三階互調(diào)抑制比都很大，而經(jīng)過兩個(gè)三中頻放大器后三階交調(diào)抑制比變化很大，但能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。由于ADS仿真軟件中視濾波器為無源線性器件，所以輸出的三階交調(diào)抑制上略高于圖2中的計(jì)算值。

圖3 仿真電路框圖

圖4 仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

從上述分析可知，要設(shè)計(jì)雙音動(dòng)態(tài)范圍大、低功耗寬帶射頻接收機(jī)，必須合理分配各級(jí)增益，鏈路余量適宜、各級(jí)均衡，并著重考慮末級(jí)、末前級(jí)放大器的三階截點(diǎn)及增益大小。另外，一般在設(shè)計(jì)接收設(shè)備時(shí)，視無源濾波器為線性器件，但實(shí)際上，當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍要求高時(shí)，信道濾波器等無源器件的無源互調(diào)也是需要考慮的因素，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

CHEN Bang-yuan. Radio Frequency Commucaiton Circuit[M].Beijing:Science Press, 2005. (in Chinese)

[2] 王吉濱,孟憲德,袁業(yè)術(shù).接收機(jī)非線性分析及測試[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(2):165-167.

WANG Ji-bin，MENG Xian-de，YUAN Ye-shu.Analysis and Measurement of Receiver Nonlinearity[J].Systems Engineering and Electronics,2003，25(2):165-167.(in Chinese)

[3] 朱慶厚.接收機(jī)虛假響應(yīng)討論[J].電訊技術(shù),2005,45(5):100-103.

ZHU Qing-hou. Discussion on Receiver Spurious Respose[J]. Telecommunication Engineering,2005,45(5):100-103. (in Chinese)

[4] 朱慶厚.接收機(jī)無互調(diào)和無虛假響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍[J].中國無線電,2008(11):49-51.

ZHU Qing-hou.Receiver non-intermodulation and non-spurious response dynamic range[J].China Radio，2008(11):49-51. (in Chinese)

[5] 陳軍.接收機(jī)三階互調(diào)失真影響的分析[J].現(xiàn)代雷達(dá),1998,20(5):89-92.

CHEN Jun.A nalysis of the Influence on Third-Order Internodulation Distortion in Receiver[J].Moden Rader,1998,20(5):89-92.(in Chinese)

[6] 王吉濱,孟憲德,袁業(yè)術(shù).提高接收系統(tǒng)線性度的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(4):566-569.

WANG Ji-bin,MENG XIAN-de，YUAN Ye-shu.Improvement of Linearrity of Receiving System[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2002,34(4):566-569.(in Chinese)

[7] 張財(cái)生，何友，丁家會(huì).非線性接收系統(tǒng)的雙音互調(diào)特性[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2008,30(8):1464-1467.

ZHANG Cai-sheng,HE You,DING Jia-hui.Analysis of dual-tone inter-modulation characteristics in nonliner receiving system[J].Systems Engineering and Electronics,2008,30(8):1464-1467.(in Chinese)