跳頻電臺射頻前端電路設計攻略 —電路圖天天讀（132）

作者：時間：2017-10-28 來源：網(wǎng)絡

加入技術交流群
- 掃碼加入
  和技術大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

　　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(xiàn)，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(xiàn)接收機射頻前端系統(tǒng)低噪聲系數(shù)，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。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進行系統(tǒng) 建模設計與參數(shù)仿真，實現(xiàn)接收機射頻前端電路設計的系統(tǒng)性能。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201710/369200.htm

　　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(shù)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(shù)字信號處理。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(xiàn)，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(xiàn)接收機射頻前端系統(tǒng)低噪聲系數(shù)，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。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進行系統(tǒng) 建模設計與參數(shù)仿真，實現(xiàn)接收機射頻前端電路設計的系統(tǒng)性能。

　　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。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帶寬作為一個信道用于跳頻調制，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)對整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)起決定性的作用。設計時在增益、噪聲系數(shù)、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(jīng)下變頻把接收信號搬移到中頻為70MHz、頻率帶寬為10MHz的頻帶上。

　　圖1、接收機射頻前端原理框圖

　　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(xiàn)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。聲表波中頻濾波器針對混頻可能出現(xiàn)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 65～75MHz的頻帶信號搬移到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較低，二次混頻后的頻帶信號經(jīng)過自動增益控制放大器級聯(lián)放大產(chǎn)生72dB左右的增益，其高增益也更容易實現(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)建模設計

　　運用ADS2008軟件對接收機射頻前端建模，設置各模塊參數(shù)，選頻濾波器針對輸入射頻信號100～150MHz進行濾波。LNA噪聲系數(shù)3dB，增益24dB，鎖相環(huán)輸出本振信號分別為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(wǎng)絡的中心頻率，設置本振為195MHz，實現(xiàn)對 120～130MHz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240～290MHz鏡像干擾信號進行抑制。

　　圖4、選頻網(wǎng)絡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。信道選擇性仿真結果如圖5所示。由圖5 可以看出，信號在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。接收信號都集中在信道帶寬10MHz范圍內，帶內波動很小，避免了接收到的信號產(chǎn)生非線性失真。鄰道抑制達到-43dB左右，滿足系統(tǒng)設計指標。

　　圖5、信道選擇性仿真

　　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= -110dBm，當一本振功率LO_pwr從-30～10dBm變化時（間隔為1dBm），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 -3dBm，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(jù)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

　　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(chǎn)生的噪聲所淹沒，就要求接收機必須產(chǎn)生合適的輸出功率電平來使器件正常工作?？紤]到器件的自身損耗，本方案設計系統(tǒng)整體功率增益在110dB左右，如表1所示。系統(tǒng)功率增益預算仿真結果如圖7所示，系統(tǒng)整機的功率增益在116dB左右，滿足設計指標要求。

　　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(xiàn)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15MHz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。