朱敏超，趙利

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004）

隨著DSP技術的發(fā)展，電子器件制作工藝的提升，A/D、D/A的取樣速率越來越高，無線電臺中的數字處理不斷往射頻前端推進，信道可重構的能力不斷得到提升，系統(tǒng)可以直接從中頻采樣，進行數字信號處理[1]。本方案接收機射頻前端系統(tǒng)基于軟件無線電理論來設計和實現，以達到建立一個通用化、標準化、模塊化的接收機射頻前端系統(tǒng)仿真平臺的目標。以實現接收機射頻前端系統(tǒng)低噪聲系數，小的互調失真，大的動態(tài)范圍和鏡像抑制，良好的AGC，足夠的增益和正確的選擇性等設計要求[2]。通過對接收機射頻前端的設計方案可行性分析和利用射頻電路仿真軟件ADS[3-4]進行系統(tǒng)建模設計與參數仿真，實現接收機射頻前端電路設計的系統(tǒng)性能。

1 射頻前端系統(tǒng)方案設計及可行性分析

本接收機射頻前端主要任務是對信號進行濾波、混頻、放大的功能，并對系統(tǒng)可能受到的鏡像干擾頻率、互調干擾頻率進行抑制[5]。系統(tǒng)功能模塊主要包括濾波器、混頻器、放大器及本振等。系統(tǒng)工作頻率范圍為100～150 MHz，其中每10 MHz帶寬作為一個信道用于跳頻調制[6]，采用超外差二次混頻的結構，整個射頻前端系統(tǒng)的設計增益為110 dB，系統(tǒng)噪聲為3 dB。其原理框圖如圖1所示。由圖1可以看出，選頻濾波器后的放大器為低噪聲放大器（LNA），LNA的噪聲系數對整個系統(tǒng)的噪聲系數起決定性的作用。設計時在增益、噪聲系數、動態(tài)范圍、VSWR、穩(wěn)定性等指標之間進行平衡。第一級混頻通過PLL改變第一級本振頻率，以接收不同信道的射頻信號，經下變頻把接收信號搬移到中頻為70 MHz、頻率帶寬為10 MHz的頻帶上。

圖1 接收機射頻前端原理框圖Fig.1Block diagram of RF front-end receiver

在此過程中，混頻器是一個非線性器件，會引入大量交調分量，使得混頻后出現大量的組合干擾頻率點，對有用信號造成嚴重的干擾，直接影響著接收機性能[7]。聲表波中頻濾波器針對混頻可能出現的鏡像頻率干擾，進行對中頻信號高品質的頻率選擇性濾波，達到提高鏡像頻率抑制的設計目標。第二級混頻把中頻為65～75 MHz的頻帶信號搬移到10～20 MHz，如圖2所示（虛線為一次混頻鏡像頻率，灰色為第二次混頻鏡像頻率）。由于其工作頻率相對較低，二次混頻后的頻帶信號經過自動增益控制放大器級聯放大產生72 dB左右的增益，其高增益也更容易實現、更穩(wěn)定[8]。

圖2 頻譜及鏡像分析圖Fig.2Spectrum and image analysis chart

2 射頻前端系統(tǒng)建模與性能仿真及分析

2.1 射頻前端系統(tǒng)建模設計

運用ADS2008軟件對接收機射頻前端建模，設置各模塊參數，選頻濾波器針對輸入射頻信號100～150 MHz進行濾波。LNA噪聲系數3 dB,增益24 dB，鎖相環(huán)輸出本振信號分別為175、185、195、205、215 MHz。SAW中頻濾波器中心頻率為70 MHz，頻率帶寬10 MHz。一次混頻和二次混頻后中頻放大器分別產生28 dB和72 dB增益，如圖3所示。

2.2 射頻前端系統(tǒng)頻帶選擇性仿真

圖3 接收機射頻前端系統(tǒng)仿真框圖Fig.3 Block diagram of receiver RF front-end system simulation

接收機射頻前端系統(tǒng)的頻帶選擇性的性能，主要由射頻前端的選頻網絡所決定。采用傳統(tǒng)LC濾波器，通過調節(jié)第一級本振的輸入頻率，改變選頻網絡的中心頻率，設置本振為195 MHz，實現對120～130 MHz射頻信號的下變頻處理。在ADS中搭建第一級混頻電路模塊的仿真原理圖。由圖4可以看出，接收機在123 MHz處最大增益為20.827 dB，也就是LNA的增益減去濾波器的插入損耗。選頻濾波器能很好對240～290 MHz鏡像干擾信號進行抑制。

圖4 選頻網絡S參數仿真Fig.4Simulation of frequency selective network S parameters

2.3 射頻前端系統(tǒng)信道選擇性仿真

信道選擇功能主要由聲表波SAW中頻濾波器完成。仿真電路圖是一次混頻系統(tǒng)原理圖，其中本振頻率LO=195 MHz。信道選擇性仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出，信號在120 MHz處系統(tǒng)有最大增益約為13.46 dB；通頻帶為10 MHz，增益在11 dB以上。接收信號都集中在信道帶寬10 MHz范圍內，帶內波動很小，避免了接收到的信號產生非線性失真。鄰道抑制達到-43 dB左右，滿足系統(tǒng)設計指標。

圖5 信道選擇性仿真Fig.5Simulation of channel selectivity

2.4 本振輸出功率對射頻前端系統(tǒng)性能影響的仿真

設置接收機射頻前端系統(tǒng)的輸入信號功率RF_pwr=-110 dBm，當一本振功率LO_pwr從-30～10 dBm變化時（間隔為1 dBm），接收機輸出功率與LO_pwr之間的關系如圖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，當本振功率大于-3 dBm，輸出功率才逐漸趨于穩(wěn)定。對于接收機而言，希望盡可能的提高本振輸出功率以達到更高的增益，但是這與系統(tǒng)的低功耗又相矛盾，需要根據系統(tǒng)設計性能指標在盡可能高的中頻輸出功率和系統(tǒng)低功耗之間權衡。

圖6 本振輸出功率對中頻輸出功率影響的仿真Fig.6Simulation result of IF output power with changes in the oscillator output power

2.5 射頻前端系統(tǒng)功率增益仿真

為了能夠正常地接收信號，不被接收到的噪聲和接收機本身產生的噪聲所淹沒，就要求接收機必須產生合適的輸出功率電平來使器件正常工作。考慮到器件的自身損耗，本方案設計系統(tǒng)整體功率增益在110 dB左右，如表1所示。系統(tǒng)功率增益預算仿真結果如圖7所示，系統(tǒng)整機的功率增益在116 dB左右，滿足設計指標要求。

表1 部分模塊增益和插入損耗Tab.1Gain and insertion loss

圖7 射頻前端系統(tǒng)增益仿真Fig.7Simulation of RF front-end system gain

2.6 射頻前端系統(tǒng)頻域響應特性仿真

從圖8的仿真結果可以看到本方案接收機能夠按照設計預期將射頻信號的頻譜搬移到系統(tǒng)設計中頻的頻帶范圍內，也就是接收機射頻前端系統(tǒng)的頻域響應特性實現了設計的要求。圖8可以直觀地看到輸入頻率信號的功率譜、一次變頻后中頻輸出信號功率譜和接收機射頻前端系統(tǒng)輸出的頻率譜。中頻15 MHz輸出的頻率點頻率成分單一，諧波得到很好抑制，不會對所需信號造成干擾。

圖8 系統(tǒng)頻域響應特性仿真Fig.8Simulation of the system frequency response characteristics

3 結束語

本文在軟件無線電系統(tǒng)理論基礎上，對寬帶接收機射頻前端系統(tǒng)采用超外差式二次混頻結構，建立了一個通用化、標準化、模塊化的接收機射頻前端系統(tǒng)仿真平臺。從性能仿真結果可以看出，該方案能夠很好地應用在軟件無線電射頻前端電路中，可以達到設計要求。

[1]揚小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

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