跳頻電臺(tái)射頻前端電路設(shè)計(jì)攻略 —電路圖天天讀（132）

　　本方案接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)基于軟件無線電理論來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到建立一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真平臺(tái)的目標(biāo)。以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)低噪聲系數(shù)，小的互調(diào)失真，大的動(dòng) 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(shè)計(jì)要求。通過對(duì)接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)方案可行性分析和利用射頻電路仿真軟件ADS進(jìn)行系統(tǒng) 建模設(shè)計(jì)與參數(shù)仿真，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)射頻前端電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。

　　隨著DSP技術(shù)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(tái)中的數(shù)字處理不斷往射頻前端推進(jìn)，信道可重構(gòu)的能力不斷得到提升，系統(tǒng)可以直接從中頻采樣，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。本方案接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)基于軟件無線電理 論來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到建立一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真平臺(tái)的目標(biāo)。以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)低噪聲系數(shù)，小的互調(diào)失真，大的動(dòng) 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(shè)計(jì)要求。通過對(duì)接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)方案可行性分析和利用射頻電路仿真軟件ADS進(jìn)行系統(tǒng) 建模設(shè)計(jì)與參數(shù)仿真，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)射頻前端電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。

　　射頻前端系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及可行性分析

　　本接收機(jī)射頻前端主要任務(wù)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、混頻、 放大的功能，并對(duì)系統(tǒng)可能受到的鏡像干擾頻率、互調(diào)干擾頻率進(jìn)行抑制。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 100～150MHz，其中每10MHz帶寬作為一個(gè)信道用于跳頻調(diào)制，采用超外差二次混頻的結(jié)構(gòu)，整個(gè)射頻前端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增益為110dB，系統(tǒng)噪聲為 3dB。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(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)起決定性的作用。 設(shè)計(jì)時(shí)在增益、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、VSWR、穩(wěn)定性等指標(biāo)之間進(jìn)行平衡。第一級(jí)混頻通過PLL改變第一級(jí)本振頻率，以接收不同信道的射頻信號(hào)，經(jīng)下變頻 把接收信號(hào)搬移到中頻為70MHz、頻率帶寬為10MHz的頻帶上。

　　圖1、接收機(jī)射頻前端原理框圖

　　在此過程中，混頻器是一個(gè)非線性器件，會(huì)引入大量交調(diào)分量，使得混頻后出現(xiàn)大量的組合干擾頻率點(diǎn)，對(duì)有用信號(hào)造成嚴(yán)重的干擾，直接影響著接收機(jī)性能。聲表波 中頻濾波器針對(duì)混頻可能出現(xiàn)的鏡像頻率干擾，進(jìn)行對(duì)中頻信號(hào)高品質(zhì)的頻率選擇性濾波，達(dá)到提高鏡像頻率抑制的設(shè)計(jì)目標(biāo)。第二級(jí)混頻把中頻為 65～75MHz的頻帶信號(hào)搬移到10～20MHz，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(duì)較低，二次混 頻后的頻帶信號(hào)經(jīng)過自動(dòng)增益控制放大器級(jí)聯(lián)放大產(chǎn)生72dB左右的增益，其高增益也更容易實(shí)現(xiàn)、更穩(wěn)定。

　　圖2、頻譜及鏡像分析圖

　　射頻前端系統(tǒng)建模與性能仿真及分析

　　射頻前端系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)

　　運(yùn)用ADS2008軟件對(duì)接收機(jī)射頻前端建模，設(shè)置各模塊 參數(shù)，選頻濾波器針對(duì)輸入射頻信號(hào)100～150MHz進(jìn)行濾波。LNA噪聲系數(shù)3dB，增益24dB，鎖相環(huán)輸出本振信號(hào)分別為175、185、 195、205、215MHz。SAW中頻濾波器中心頻率為70MHz，頻率帶寬10MHz。一次混頻和二次混頻后中頻放大器分別產(chǎn)生28dB和72dB 增益，如圖3所示。

　　圖3、接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真框圖

　　射頻前端系統(tǒng)頻帶選擇性仿真

　　接收機(jī)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(wǎng)絡(luò)所決定。采用傳統(tǒng)LC濾波器，通過調(diào)節(jié)第一級(jí)本振的輸入頻率，改變選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率，設(shè)置本振為195MHz，實(shí)現(xiàn)對(duì) 120～130MHz射頻信號(hào)的下變頻處理。在ADS中搭建第一級(jí)混頻電路模塊的仿真原理圖。由圖4可以看出，接收機(jī)在123MHz處最大增益為 20.827dB，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(duì)240～290MHz鏡像干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。

　　圖4、選頻網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)仿真

　　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=195MHz。信道選擇性仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5 可以看出，信號(hào)在120MHz處系統(tǒng)有最大增益約為13.46dB；通頻帶為10MHz， 增益在11dB以上。接收信號(hào)都集中在信道帶寬10MHz范圍內(nèi)，帶內(nèi)波動(dòng)很小，避免了接收到的信號(hào)產(chǎn)生非線性失真。鄰道抑制達(dá)到-43dB左右，滿足系 統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　圖5、信道選擇性仿真

　　本振輸出功率對(duì)射頻前端系統(tǒng)性能影響的仿真

　　設(shè)置接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)的輸入信號(hào)功率RF_pwr= -110dBm，當(dāng)一本振功率LO_pwr從-30～10dBm變化時(shí)（間 隔為1dBm），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 -3dBm，輸出功率才逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于接收機(jī)而言，希望盡可能的提高本振輸出功率以達(dá)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(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 性能指標(biāo)在盡可能高的中頻輸出功率和系統(tǒng)低功耗之間權(quán)衡。

　　圖6、本振輸出功率對(duì)中頻輸出功率影響的仿真

　　射頻前端系統(tǒng)功率增益仿真

　　為了能夠正常地接收信號(hào)，不被接收到的噪聲和接收機(jī) 本身產(chǎn)生的噪聲所淹沒，就要求接收機(jī)必須產(chǎn)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(shè)計(jì)系統(tǒng)整體功率增益在110dB左右， 如表1所示。系統(tǒng)功率增益預(yù)算仿真結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)整機(jī)的功率增益在116dB左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

　　表1、部分模塊增益和插入損耗

　　射頻前端系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性仿真

　　從 圖8的仿真結(jié)果可以看到本方案接收機(jī)能夠按照設(shè) 計(jì)預(yù)期將射頻信號(hào)的頻譜搬移到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中頻的頻帶范圍內(nèi)，也就是接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)的頻域響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。圖8可以直觀地看到輸入頻率信號(hào)的功 率譜、一次變頻后中頻輸出信號(hào)功率譜和接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)輸出的頻率譜。中頻15MHz輸出的頻率點(diǎn)頻率成分單一，諧波得到很好抑制，不會(huì)對(duì)所需信號(hào)造成 干擾。

　　圖8、系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性仿真

　　本文在軟件無線電系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，對(duì)寬帶接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)采用超外差式二次混頻結(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真平臺(tái)。從性能仿真結(jié)果可以看出，該方案能夠很好地應(yīng)用在軟件無線電射頻前端電路中，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。