李宗強 ,蘭設(shè)勇,董小麗

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司,廣州 510663)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及電磁環(huán)境的日趨變化,現(xiàn)代短波通信要求接收機具有多信號接收、低響應(yīng)時間、頻譜掃描、數(shù)據(jù)傳輸速率高、信號存儲完整等能力,這就要求接收機朝著數(shù)字化、寬帶化方向發(fā)展。雖然電子器件性能的不斷提升,帶動A/D、D/A的采樣速率越來越高,但是要想實現(xiàn)全數(shù)字化短波寬帶接收機仍有較大難度,需要射頻前端輔助完成。中頻數(shù)字化接收機采用外差式結(jié)構(gòu),輸出中頻信號經(jīng)AD變換后,便于數(shù)字信號處理。

本文綜合考慮寬帶接收信道的各項指標(biāo),設(shè)計出了一種具有寬輸入帶寬、高靈敏度、大動態(tài)范圍等特點的短波寬帶接收射頻前端。

1 接收信道電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 技術(shù)指標(biāo)

短波寬帶接收信道的主要設(shè)計指標(biāo)如下:工作頻段 1.6～30 MHz,靈敏度不大于0.5 μ V,中頻頻率為63.078 MHz,無雜散動態(tài)范圍(SFDR)大于等于85 dB,工作帶寬25 kHz、1 MHz可切換。

1.2 電路原理結(jié)構(gòu)

根據(jù)短波寬帶接收信道總體要求,需要研制具有高動態(tài)范圍的短波寬帶數(shù)字接收機。工作帶寬應(yīng)具有25 kHz、1MHz可切換功能,射頻信道主要功能是對信號接收、變頻、寬帶放大和抗混疊濾波處理后,輸出可供ADC直接采樣的中頻信號。射頻直接采樣方案結(jié)構(gòu)簡潔,信號經(jīng)過預(yù)選和放大之后即可直接進(jìn)行AD采樣,但性能主要受AD器件限制,因此本文所討論的寬帶接收信道采用超外差一次變頻結(jié)構(gòu)[1]方案,其電路如圖1所示。

圖1 寬帶接收信道電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit structure of the wideband receiver channel

由于帶寬增加,使得帶內(nèi)信號非常復(fù)雜,其帶寬、頻率分布和功率強弱往往存在較大差別,這樣在有較大信號通過時,前置放大器會產(chǎn)生大量的諧波失真和交調(diào)失真,這些失真完全可能超出小信號的幅度,將會導(dǎo)致寬帶有用信號的頻帶受損,以及大信號淹沒小信號,甚至出現(xiàn)阻塞信道的現(xiàn)象,從而使通信系統(tǒng)的可靠性和有效性嚴(yán)重下降。因此,線性動態(tài)范圍問題是短波寬帶接收機的主要問題,本文將以此為研究重點。

2 接收信道方案設(shè)計

2.1 接收信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計

接收信道由混頻器、低噪聲放大器、中頻濾波器、中頻放大器和頻率合成器[2]等部分組成,主要完成信號的變頻、濾波和放大處理,將射頻信號變換為適合于進(jìn)行ADC直接采樣的中頻信號。設(shè)計中主要考慮了噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍、增益、AGC控制范圍、中頻帶寬等參數(shù),以保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)。輸入端使用了9階橢圓低通濾波器,以抑制其他頻段的干擾,提高中頻、鏡頻抑制比等。

對于短波頻段,內(nèi)部噪聲的影響比較小,外界噪聲是決定接收機接收小信號能力的主要因素,而前置放大器會降低二階和三階交調(diào)指標(biāo),因此,射頻信號經(jīng)濾波后直接進(jìn)入混頻器。選用IP3值較高的混頻器,可以很好減少由此帶來的寄生響應(yīng),使輸出中頻信號的交調(diào)產(chǎn)物很小,有利于提高動態(tài)范圍,減小倒易混頻,提高抗干擾能力。由于此電路混頻器插損較大,導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲系數(shù)增加,靈敏度下降,為了補償此損耗,緊跟混頻器后采用低噪聲、高增益的中頻放大器降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。

與常規(guī)設(shè)計不同,本文采用兩路射頻通路,帶寬25 kHz信道主要用來進(jìn)行信號接收解調(diào),而帶寬1 MHz信道主要用來進(jìn)行頻譜掃描。每路信道采用兩級中頻濾波器,第一級置于低噪放之后,對低噪放的輸出進(jìn)行預(yù)濾波,降低對第一級中頻放大器的要求,達(dá)到較高的三階截距,具有較低的插入損耗和較高的三階互調(diào)指標(biāo);第二級置于第一級中頻放大器之后,它具有良好的矩形系數(shù)和較高的阻帶抑制。

中頻濾波器采用聲表面波濾波器(SAW)。聲表濾波器具有很好的矩形系數(shù),更接近理想特性,具有體積小、一致性好、互調(diào)抑制比高等優(yōu)點。

2.2 噪聲系數(shù)分析

接收機靈敏度指標(biāo)取決于接收信道的噪聲系數(shù)。指標(biāo)要求靈敏度小于等于0.5 μ V((S+N)/N=12 dB),在50 Ψ輸入阻抗條件下等效為-113 dBm,則噪聲系數(shù)

NF=Psn-So/No-10lg(BW)+174 dBm/Hz(1)其中,Psn為-113 dBm,So/No=12,BW=3 kHz,174 dBm/Hz為電子熱噪聲。經(jīng)計算得出 NF=14 dB,考慮2 dB的余量,得出信道的噪聲系數(shù)必須小于12 dB,才能滿足設(shè)計要求。

2.3 信道增益確定

模擬信道增益[3]取決于靈敏度(信道噪聲系數(shù))和采樣AD性能。射頻模數(shù)轉(zhuǎn)換考慮到轉(zhuǎn)換速度和精度的要求,在此選用16位AD轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換SINAD 81 dBFs,參考電壓設(shè)為2.75 Vpp,輸入阻抗50 Ψ,最大不飽和輸入功率為12 dBm。

AD的量化噪聲為

經(jīng)計算得出 Nq≈-83 dBm。則接收機最小模擬信道增益為

其中,NF=12 dB,B為檢波前的中頻帶寬,在考核指標(biāo)時常按照傳統(tǒng)窄帶接收機的方法進(jìn)行,帶寬選擇3 kHz,由此可算出射頻信道總增益為G=45 dB?？紤]一定的冗余量,可以確定出信道增益約為48～50 dB。

2.4 動態(tài)范圍實現(xiàn)

無雜散動態(tài)范圍是指接收機在接收多個大信號,隨著信號的增大,失真產(chǎn)物增大到等于等效噪聲功率時,信號電平與噪聲電平之比。從信道的輸入三階互調(diào)截距點可以推算出無雜散動態(tài)范圍,即

可見,無雜散動態(tài)范圍SFDR直接正比于輸入截點IIP3,反比于噪聲系數(shù)NF和中頻帶寬B,也就是說,噪聲系數(shù)低,中頻帶寬窄,輸入截點高,則接收機無雜散動態(tài)范圍就大。要實現(xiàn)系統(tǒng)高線性大動態(tài)范圍,可從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.4.1 合理分配增益

慎重考慮信道中每一模塊的最大功率值,尤其是在放大器前,要滿足有源器件的 P1dB壓縮點要求,防止信號壓縮。一般為了保證信道的不失真,放大器在P1dB壓縮點處回退6～10 dB。

表1 電路模塊設(shè)計參數(shù)Table 1 Parameters of the circuit module

各電路模塊參數(shù)[4]依據(jù)表1的設(shè)計,代入軟件AppCAD,計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,射頻前端各模塊按此增益分配,無雜散動態(tài)范圍在理論上可以達(dá)到97 dB,滿足設(shè)計要求。

圖2 無雜散動態(tài)范圍計算圖Fig.2 Calculation of the SFDR

2.4.2 優(yōu)選動態(tài)范圍大的器件

設(shè)計高線性度的接收機,通常要選用P1dB壓縮點高、IIP3高的中頻放大器和混頻器。相對小信號放大器而言,P1dB高的放大器通常都具有較大的噪聲系數(shù)和功耗,大信號混頻器則需要更大的本振信號來驅(qū)動,這會使本振泄漏增加,導(dǎo)致內(nèi)部雜散響應(yīng)增大,同樣功耗也要增加。因此必然會造成設(shè)計的難度大大增加,且成本昂貴。

混頻器的線性度是直接影響系統(tǒng)高線性實現(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)。在此選用SD5400系列雙平衡混頻器,它由4個性能完全一致的增強型MOS場效應(yīng)管組成,可獲得+30 dBm以上的三階截距,變頻損耗約為7 dB,本振電平高達(dá)+32 dBm,允許最大射頻輸入的動態(tài)范圍大,能夠確保前端電路的性能要求。

低噪聲放大器(LNA)是接收機射頻前端的重要組成部分,首先要求噪聲系數(shù)越小越好,同時為了抑制后級噪聲對射頻前端影響,要求有一定的增益,由于LNA所處位置,決定它必定是小信號線性放大器,因此要求LNA具有足夠的線性動態(tài)范圍[5]。在此采用型號為BFP196W的放大器與輸入輸出變壓器組成的放大電路作為LNA。該電路簡單,噪聲系數(shù)2 dB,輸出 IP3為45 dBm,增益15 dB,而且可通過調(diào)整輸入輸出變壓器匝數(shù)比來改變正向功率增益。

ADC芯片選用凌特公司高速低噪聲16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片LTC2217IUP,它的無雜散動態(tài)范圍為100 dB,能夠滿足系統(tǒng)要求。

2.4.3 自動增益控制

要想接收機具有大動態(tài)范圍,通常需要在射頻或中頻部分接入自動增益控制電路。本設(shè)計在中頻部分加入數(shù)字步進(jìn)衰減器實現(xiàn)AGC功能,選用Hittite公司的步進(jìn)衰減器HMC470LP3,IIP3>50 dBm,可控范圍31 dB/1 dB步進(jìn)。這種電路能很好地滿足線性動態(tài)范圍的需求。

接收機射頻前端因需設(shè)計具有大動態(tài)范圍,那么保證ADC不能工作在飽和狀態(tài)就成了AGC起控點的依據(jù)。以LTC2217IUP為例,其最大輸入電壓為2.75 Vpp,輸入阻抗50 Ψ,最大不飽和輸入功率為12 dBm,為了防止過載,且保證較大的動態(tài)范圍,最大采樣信號輸入設(shè)為-16 dBm,然后由數(shù)字處理軟件將信號調(diào)整為0 dBm。因此,AGC的起控點為-16-48 dBm=-64 dBm。-113～-64 dBm由數(shù)字處理軟件完成,-64～-2 dBm由數(shù)字AGC完成,-2～+20 dBm由天線衰減器完成。

3 主要指標(biāo)測試結(jié)果

選取具有代表性的頻點在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下,按GBT 6934-1995要求進(jìn)行測試,測試結(jié)果如表2所示。由表可知主要指標(biāo)的測試結(jié)果符合設(shè)計要求。

表2 測試結(jié)果Table 2 Test result

4 結(jié) 論

本文根據(jù)現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)的指標(biāo)要求,研制了具有高動態(tài)范圍的短波寬帶接收機。通過實驗測試,該接收信道滿足高性能要求,可應(yīng)用于信息對抗與智能無線通信裝備研制,例如新一代水面艦艇短波通信系統(tǒng)等。

[1] Ludwig R,Bretchko P.射頻電路設(shè)計——理論與應(yīng)用[M].王子宇,張肇儀,徐承和,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002.Ludwig R,Bretchko P.RF Circuit Design Theory and Aplications[M].Translated by WANG Zi-yu,ZHANG Zhao-yi,XU Cheng-he.Bejing:Publishing House of Electronics Industry,2002.(in Chinese)

[2] 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)

[3] 金國瓊.短波寬帶大動態(tài)射頻信道的設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2009,35(4):44-46.JIN Guo-qiong.Design of HF Wideband High Dynamic Range Receiver Channel[J].Radio Communications Technology,2009,35(4):44-46.(in Chinese)

[4] 汪玉平.一種大動態(tài)范圍射頻接收機的設(shè)計[J].電訊技術(shù),2010,50(7):115-118.WANG Yu-ping.Design of a RF Receiver with Wide Dynamic Rang[J].Telecommunication Engineering,2010,50(7):115-118.(in Chinese)

[5] 劉世剛,葛林東,袁偉.一種短波數(shù)字接收機射頻前端模擬前端設(shè)計方案[J].微計算機信息,2005,21(22):148-150.LIU Shi-gang,GE Lin-dong,YUAN Wei.Analog Front-End Design of HF Digtal Receiver[J].Microcomputer Information,2005,21(22):148-150.(in Chinese)