摘 要： 描述一種超寬帶四鏈路接收分系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要處理天線接收到的2～18 GHz的射頻信號，分別通過對信號進(jìn)行限幅、放大、混頻、濾波、檢測、測量等過程形成中頻信號，并送至信號處理分系統(tǒng)。首先介紹該系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明，隨后列出所選器件的重要參數(shù)以便討論，通過使用電磁仿真軟件ADS計算分析系統(tǒng)內(nèi)電路的增益、噪聲系數(shù)和線性度等重要參數(shù)。其中系統(tǒng)噪聲系數(shù)為3.5 dB，靈敏度為-73.5 dBm，動態(tài)范圍為50 dB，輸出信號為1.5 GHz，且功率穩(wěn)定在0 dBm左右。

關(guān)鍵詞： 超寬帶； 四鏈路； 接收分系統(tǒng)； ADS

中圖分類號： TN957?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）14?0116?04

Design of 2～18 GHz ultra?wideband receiving subsystem

ZHOU Zelun1， LI Yi2

（1. Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100， China； 2. Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China）

Abstract： A 4?link ultra?wideband receiving subsystem is described， which mainly deals with the 2～18 GHz RF signals received by the antenna. The processes of amplitude limiting， amplifying， mixing， filtering， detecting and measuring are performed for the signal respectively to form the intermediate frequency signal， and then the signal is sent to the signal processing subsystem. In this paper， the design scheme of the system is introduced， the system working principle is described in detail， and the important parameters of the selected component are listed for discussion. The circuit gain， noise figure， linearity and other significant parameters of the system are computed and analyzed with the electromagnetic simulation software ADS. The design results show that the system noise figure is 3.5 dB， sensitivity is -73.5 dBm， dynamic range is 50 dB， output signal frequency is 1.5 GHz， and the power can be stabilized at about 0 dBm.

Keywords： ultra?wideband； 4?link； receiving subsystem； ADS

近年來無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展帶動了電子產(chǎn)品的高頻化、寬帶化以及小型化等發(fā)展趨勢，使得民用和軍用產(chǎn)品對接收系統(tǒng)的處理能力和性能的要求越來越高。因此，對接收系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究和分析變得很有必要，設(shè)計實現(xiàn)一種新型超寬帶接收分系統(tǒng)成為目前的重要課題。該系統(tǒng)具有對2～18 GHz信號進(jìn)行搜索、火控雷達(dá)信號進(jìn)行截獲、檢測、自檢等功能；可處理常規(guī)脈沖、線性調(diào)頻脈沖、非線性調(diào)頻脈沖、相位編碼脈沖以及連續(xù)波等。

1 設(shè) 計

1.1 組 成

接收分系統(tǒng)包含前端模塊和中頻模塊兩部分，實現(xiàn)對接收天線輸出的射頻信號限幅、放大、混頻、濾波，為信號處理分系統(tǒng)輸入中頻信號。系統(tǒng)采用4路相同的接收鏈路，每一個接收鏈路單獨制作成一個模組[1?2]。主控制端（包含CPU）位于主板。

1.2 工作原理

該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包含4個部分，分別是輸入選擇部分、混頻部分、自動增益控制部分、本振產(chǎn)生部分。本系統(tǒng)對2～18 GHz的信號進(jìn)行接收和處理，要求系統(tǒng)能處理約16 GHz帶寬的信號，每路信號帶寬500 MHz。

系統(tǒng)前端添加限幅器（Limiter）以及低噪聲放大器（LNA），并通過開關(guān)濾波陣列把信號輸出至中頻處理模塊，在中頻處理模塊，由1?4功率分配器提供兩級本振信號進(jìn)行混頻，第一、二級功率分別為18～22 dBm和5～9 dBm，頻率分別為7.75～16.75 GHz和2 GHz/4 GHz，信號形式均為點頻連續(xù)波。最終將頻率為1.5 GHz±250 MHz的輸出中頻信號送入之后的信號處理分系統(tǒng)。

1.2.1 輸入選擇部分

如圖1所示，輸入選擇部分包含了限幅器、低噪聲放大器、射頻開關(guān)和一個濾波器陣列，主要用于信號的放大和輸入選擇。在低噪放之后添加開關(guān)，通過這個射頻開關(guān)進(jìn)行輸入選擇，選擇輸入信號為外部接收信號或自檢（Self Detection）信號。開關(guān)后面為濾波陣列，帶寬分別從2～3 GHz，3～4 GHz，4～5 GHz，…，主要是用于系統(tǒng)的鏡像抑制和頻率選擇，通過控制信號控制濾波陣列的通帶。

1.2.2 混頻部分

如圖1所示，第一次混頻之后的中頻信號為3.5 GHz或者5.5 GHz，選擇2～6 GHz的帶通濾波器濾除無用信號，第二次混頻后中頻輸出信號為1.5 GHz。由于經(jīng)過兩次混頻后，其輸出的有效頻率范圍是確定的，本身不會包含其他的頻率，所以二次混頻[3?4]過后的濾波器采用低通濾波器。

1.2.3 本振產(chǎn)生部分

如圖1所示，因為系統(tǒng)具有四路相同的接收通路，所以為了保證多路相位的一致性，采用了兩個不同頻段的1?4功率分配器，將本振信號平均分配給4路相同的接收鏈路。

1.2.4 自動增益控制部分

如圖1所示，設(shè)定要求系統(tǒng)的最終輸出恒定為0 dBm，即在可接收范圍內(nèi)的輸入信號，系統(tǒng)自動調(diào)整增益使得輸出功率保持在0 dBm。采用了包含功率檢測器和低通濾波器在內(nèi)的反饋回路，并通過CPU來控制數(shù)控衰減器的衰減量（范圍為-5～-55 dB），通過改變衰減量來改變鏈路總增益，使得最終輸出信號的功率穩(wěn)定在0 dBm左右。最終的輸出信號進(jìn)入功率檢測器與由CPU提供的參考信號V_set進(jìn)行比較，由于所選功率檢測器具有峰值保值功能，所以可以輸出一個頻率相對較低的信號，再通過低通濾波器，得到一個不僅頻率相對較低且平滑的信號，進(jìn)入CPU的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，再對衰減器（射頻開關(guān)和濾波陣列以及兩組本振信號）進(jìn)行控制。

1.3 自檢模式

在進(jìn)行自檢時，首先打開自檢開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入自檢模式，由基板的CPU提供一個自檢信號，并對增益和工作狀態(tài)進(jìn)行控制。每個鏈路在輸出端都有功率檢測器。因此，可以通過增益的改變，同時觀察輸出信號的功率，即可知每一個鏈路是否正常工作。若檢測結(jié)果為每一鏈路正常工作，則由CPU控制開關(guān)切換至工作端口。

2 主要參數(shù)計算

根據(jù)設(shè)計方案的要求進(jìn)行系統(tǒng)的器件選型，所選器件核心參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)增益和噪聲系數(shù)分配

2.1 系統(tǒng)噪聲分析

噪聲系數(shù)[5?6]定義為總輸出噪聲功率與由輸入信號經(jīng)過系統(tǒng)引起的噪聲功率之比。對于典型的線性系統(tǒng)（低功率時近似為線性），噪聲系數(shù)可用輸入信噪比與輸出信噪比之比來表示：

對于級聯(lián)系統(tǒng)來說，需要用系統(tǒng)中各級的增益以及噪聲系數(shù)來確定系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)，對于典型的級聯(lián)系統(tǒng)，若各級增益分別為G1，G2，G3；各級噪聲系數(shù)為NF1，NF2，NF3；則系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)為：

2.2 系統(tǒng)增益分配

根據(jù)式（2）的分析可知，系統(tǒng)最前幾級的增益和噪聲系數(shù)決定了最終的噪聲系數(shù)。對于本系統(tǒng)，可以將低噪放（LNA）視為第一級，即需要大增益的低噪放1和2，且采用的混頻器1和2為2～18 GHz有源且低噪聲的，并且具有很低的功耗。根據(jù)系統(tǒng)每一級的增益以及噪聲系數(shù)，如圖2所示，通過ADS[7?8]或直接代入式（2）計算最終的系統(tǒng)噪聲系數(shù)為3.5 dB。

2.3 系統(tǒng)接收靈敏度

接收系統(tǒng)輸入端能夠接收并正確處理的最小信號電平即為接收系統(tǒng)靈敏度[9?10]（Psen），計算公式為：

式中：BW為系統(tǒng)調(diào)制帶寬（亦接收帶寬），在本文中為500 MHz；NF為系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)；SNRmin為后級信號處理基帶能夠分辨的最小信噪比，本系統(tǒng)中為10 dB。由于本系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為3.5 dB，將其代入式（3）便可以得到系統(tǒng)的靈敏度為-73.5 dBm。

2.4 系統(tǒng)動態(tài)范圍

非理想的系統(tǒng)都是非線性的，至少在輸入功率比較大時是如此的。電路的非線性會使得輸出信號包含輸入信號以外的頻率成分，這些無用的成分會干擾有用信號，這就是諧波失真。系統(tǒng)內(nèi)電路的線性度可以通過1 dB增益壓縮點（P1 dB）或三階交調(diào)點（IIP3）來體現(xiàn)[11]。而P1 dB和IIP3的關(guān)系為：

[IIP3-P1 dB=9.6] （4）

非線性對誤碼率起著決定性的作用，誤碼率會隨輸入信號增大而上升，同時輸入信號減小，誤碼率也會隨著信噪比的降低而上升。因此系統(tǒng)的動態(tài)范圍（DR）由噪聲系數(shù)與線性度共同決定。動態(tài)范圍一般用系統(tǒng)1 dB增益壓縮點（P1 dB）與系統(tǒng)接收靈敏度（Psen）之比來表示[12]。為保證系統(tǒng)在極限條件下仍能正常工作，設(shè)計最后兩級的放大器之間插入衰減器，以避免第一級放大器放大后飽和，直接降低第二級的線性度，最終損壞系統(tǒng)的1 dB壓縮點，降低動態(tài)范圍。根據(jù)ADS仿真結(jié)果可得衰減器前第一級LNA、第二級LNA和第三極中頻放大器的功率輸出圖，可以看出，衰減器前的1 dB壓縮點為-14 dBm，如圖3所示，可以計算得到系統(tǒng)在衰減器之前的動態(tài)范圍約為59 dB。

然而當(dāng)系統(tǒng)加上數(shù)控衰減器之后，整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍便不能按定義來看，輸出如圖4所示?？芍?，在-75～-25 dBm輸出功率保持在系統(tǒng)要求的0 dBm，這個范圍為正?？煽胤秶?；當(dāng)輸入功率達(dá)到-25 dBm后，衰減器達(dá)到最大衰減量-55 dB，隨著輸入增大，輸出功率開始增大，直至飽和，這個范圍為不可控范圍。因此，系統(tǒng)動態(tài)范圍取小的范圍50 dB。

2.5 系統(tǒng)頻率分配

根據(jù)所定變頻范圍，第一次變頻所得中頻IF1為5.5 GHz±250 MHz或3.5 GHz±250 MHz，第二次變頻所得中頻IF2為1.5 GHz±250 MHz，設(shè)計了系統(tǒng)的變頻頻率表如表2所示。

表2 超外差系統(tǒng)本振頻率設(shè)置

2.6 系統(tǒng)功耗分析

根據(jù)所選取的芯片，每一個鏈路包含兩個低噪聲放大器，4個濾波器，兩個混頻器，一個功率檢測器，2個中頻放大器，其功耗分布如表3所示，總功耗為3.27 W。因此，4路通道的總功耗為13.1 W。其次，考慮到射頻開關(guān)、DC?DC以及CPU的功耗，預(yù)計為6 W左右，故整個系統(tǒng)的功耗不到20 W。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一個2～18 GHz超寬帶接收分系統(tǒng)。最終設(shè)計結(jié)果如下：噪聲系數(shù)為3.5 dB；接收機(jī)靈敏度為-73.5 dBm；接收機(jī)動態(tài)范圍為50 dB；輸出中頻頻率為1 500 MHz±250 MHz；通道間隔離度≥40 dB；中頻輸出幅度范圍為-3～3 dBm。該系統(tǒng)具有對2～18 GHz信號進(jìn)行搜索、對火控雷達(dá)信號進(jìn)行截獲、檢測、自檢等功能；可處理常規(guī)脈沖、線性調(diào)頻脈沖、非線性調(diào)頻脈沖、相位編碼脈沖以及連續(xù)波等。

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