一種用于軟件無(wú)線電的接收機(jī)射頻前端電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要:設(shè)計(jì)了一種用于軟件無(wú)線電的射頻前端電路，該電路可工作于短波、超短波頻段(3～89 MHz)。電路將天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)前端濾波、AGC、放大處理后，將輸出信號(hào)穩(wěn)定到2 V，直接送給下級(jí)進(jìn)行A/D采樣及基帶處理。設(shè)計(jì)的核心是寬帶AGC電路，采用了一種級(jí)聯(lián)VGA的形式，較大地提高了AGC電路的動(dòng)態(tài)范圍和線性范圍。經(jīng)過(guò)硬件實(shí)測(cè)，該接收電路靈敏度能夠達(dá)到-90 dBm，動(dòng)態(tài)范圍為70 dB，并且具有線性度高、噪聲系數(shù)小等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:軟件無(wú)線電; 射頻前端; 自動(dòng)增益控制; 可變?cè)鲆娣糯笃?/p>

中圖分類號(hào):TN911; TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0037-04

Research and Design of Receiver RF Front-end Circuit for Software Radio

DENG Ai1， GE Li-jia1， XU Zi-ling2， ZHU Lin1， SHUANG Tao1

(1.Chongqing Communication College， Chongqing 400035， China; 2.The Second Artillery Equipment Research Institute，Beijing 100085，China)

Abstract: A RF front-end circuit for software radio was designed， which can operate on short wave and ultra-short wave frequency band(3～89 MHz). The received signal from antenna turns the input signal to 2 V and then transforms to the next class-analog-to-digital converter circuit through front-end filtering， AGC and amplification processing. AGC is the core of the circuit， which takes a form of cascade VGAS and improves the dynamic range and linear range. Taking hardware practical test， the maximum sensitive is -90 dBm， the largest dynamic range is 70 dB， the system has good linearity and low noise figure.

Keywords: software radio; RF front-end; AGC; variable gain amplifier

收稿日期:2010-03-18

軟件無(wú)線電要求通信系統(tǒng)的“全數(shù)字化”，也即寬帶ADC(Analog-to-Digital Converter)和DAC(Digital-to-Analog Converter)向射頻(RF)端靠近，同時(shí)要求開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、模塊化的軟硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多頻段、多模式、多業(yè)務(wù)、多個(gè)性[1]。典型的軟件無(wú)線電主要包括射頻前端(含天線)，AD/DA，數(shù)字信號(hào)處理三部分。本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種適用于上述軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)的射頻前端電路(不包含天線)，該射頻前端電路具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好、噪聲系數(shù)低、工作頻段寬等特點(diǎn)。

1 接收機(jī)整體設(shè)計(jì)

由圖1基本結(jié)構(gòu)可以看出，適用于軟件無(wú)線電的接收機(jī)射頻前端電路較之傳統(tǒng)接收機(jī)射頻前端電路沒(méi)有了混頻單元，射頻前端直接將天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理送給A/D轉(zhuǎn)換單元[2]。這不僅對(duì)后續(xù)的A/D采樣、基帶處理提出了更高的要求，也對(duì)射頻前端電路放大，穩(wěn)定性等方面提出了新的挑戰(zhàn)。接收機(jī)射頻前端電路主要的任務(wù)是對(duì)天線接收到的信號(hào)進(jìn)行選擇性放大，提高接收信號(hào)的信噪比;同時(shí)，調(diào)整天線接收到的信號(hào)幅度，使其與A/D轉(zhuǎn)換器的最佳輸入范圍一致，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示:通常主要由帶通濾波器、LNA、AGC電路等組成。

圖1 軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)

圖2 接收機(jī)射頻前端功能框圖

帶通濾波單元初步濾除帶外噪聲干擾，提取有用信號(hào)。RF插入損耗、波紋、3 dB帶寬、矩形系數(shù)、阻帶抑制是帶通濾波器要重點(diǎn)考慮的技術(shù)指標(biāo)[3]。LNA單元主要完成對(duì)有用信號(hào)的前端放大，使信號(hào)能滿足后級(jí)的各種需要，并盡最大可能提高信噪比。噪聲系數(shù)，工作頻段、線性范圍，P1 dB壓縮點(diǎn)等指標(biāo)是LNA要重點(diǎn)考慮的技術(shù)指標(biāo)。AGC(Automatie Gain Control)單元主要起到穩(wěn)定信號(hào)幅度的作用，同時(shí)使信號(hào)幅度盡可能的符合A/D的需要，動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間是AGC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)要求接收機(jī)工作于短波/超短波頻段即3～89 MHz，工作頻段、靈敏度、線性范圍、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲系數(shù)是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

(1) 靈敏度

靈敏度定義為當(dāng)接收機(jī)輸出功率和輸出信噪比一定時(shí)，天線上所需感應(yīng)的最小電動(dòng)勢(shì)[4]，它表示了接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，靈敏度越高，則表示接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。

靈敏度(dBm)=10log(kT)+10log(BW)+SNR+NF

(1)

式中:當(dāng)T=300 K時(shí)，10log(kT)=-173.8 dBm，BW為接收機(jī)帶寬;SNR為接收機(jī)要達(dá)到的信噪比;NF為噪聲系數(shù)[5]。接收機(jī)的靈敏度主要取決于整機(jī)總增益和內(nèi)部噪聲的大小，要提高靈敏度必須從這兩方面下手。而總增益的提高與內(nèi)部噪聲的減小又是有聯(lián)系的，系統(tǒng)總的噪聲主要取決于前一、二級(jí)的內(nèi)部噪聲和增益的大小，因此必須采用具有特定性能指標(biāo)的低噪聲放大器(LNA)作為前端放大器。本設(shè)計(jì)要求靈敏度達(dá)到-90 dBm。

(2) 線性范圍

線性范圍是指使接收機(jī)信號(hào)不發(fā)生失真的線性工作范圍，它由各級(jí)電路的線性工作范圍共同決定[6]。放大是整個(gè)前端電路中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于軟件無(wú)線電的接收通道是寬帶的，通帶內(nèi)的非期望信號(hào)很多，因此，在軟件無(wú)線電中不能用非線性放大器，而只能用線性放大器，否則就會(huì)引起許多非線性產(chǎn)物。線性范圍是線性放大器的基本技術(shù)指標(biāo)。

(3) 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍在接收機(jī)中是由AGC電路實(shí)現(xiàn)的。AGC電路的動(dòng)態(tài)范圍是指輸出電平在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)所允許的輸入信號(hào)電平的變化范圍[7]。輸出電平變化一定時(shí)，相應(yīng)的輸入信號(hào)電平變化范圍越大，則AGC的動(dòng)態(tài)范圍越大。本設(shè)計(jì)要求動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到70 dB。

(4) 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)是指放大器輸入端的信噪比與輸出端的信噪比之間的比值，即:

NF=(Psi/Pin)/(Pso/Pno)

(2)

式中:NF為噪聲系數(shù);Psi/Pin為輸入信噪比;Pso/Pno為輸出信噪比[3]。多級(jí)電路的噪聲系數(shù)計(jì)算公式由式(3)給出:

F=F1+∑N-1i=1Fi+1-1∏ij=1=

F1+F2-1G1+F3-1G1G2+…+FN-1G1G2…GN-1

(3)

式中:F是等效的總噪聲系數(shù)，F(xiàn)i是第i級(jí)的噪聲系數(shù)，Gi是第i級(jí)的放大增益。由公式可知，射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)放大電路的噪聲系數(shù)和功率增益。系統(tǒng)噪聲系數(shù)F一定大于第一級(jí)電路的噪聲系數(shù)F1。只要第一級(jí)電路具有較小的噪聲系數(shù)和較高的功率增益，后面電路的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響就不會(huì)太大。再次說(shuō)明LNA的設(shè)計(jì)選擇非常重要。

根據(jù)接收機(jī)要達(dá)到的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合所選器件的參數(shù)性能，理論設(shè)計(jì)了接收機(jī)的整體增益分配框圖，如圖3所示，射頻前端輸出信號(hào)設(shè)計(jì)為2 V。

圖3 接收機(jī)整體增益分配框圖

為最大限度減少噪聲以及前級(jí)噪聲的逐級(jí)放大效應(yīng)，在各級(jí)放大之間均加入了帶通濾波器，濾波器的帶內(nèi)衰減折算為-2 dB。固定增益放大采用+20 dB的低噪聲放大器，要求工作頻段符合要求，噪聲系數(shù)低，線性范圍大?？煽卦鲆婺K采用AGC架構(gòu)，由VGA和功率檢測(cè)芯片組成，VGA的輸出范圍要和功率檢測(cè)芯片的輸入范圍匹配。接收機(jī)采用的具體結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的具體芯片而決定，特別是AGC所處的位置，要根據(jù)VGA芯片和功率檢測(cè)芯片的參數(shù)值決定，主要參考芯片輸入輸出范圍，噪聲系數(shù)，VGA芯片工作的線性范圍，功率檢測(cè)芯片的檢測(cè)范圍等。設(shè)計(jì)中要特別注意前級(jí)線性輸出與后級(jí)線性輸入的匹配，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷帶來(lái)的非線性失真。各模塊均采用集成芯片，包括濾波器在內(nèi)均采用貼片結(jié)構(gòu)，這樣有利于減少分立元件的分布參數(shù)帶來(lái)的各種干擾，實(shí)現(xiàn)較高的性能指標(biāo)。由增益分配框圖可知，理論上該前端電路靈敏度能夠達(dá)到-106 dBm，動(dòng)態(tài)范圍為96 dB。

3 AGC的設(shè)計(jì)

接收機(jī)工作時(shí)，由于無(wú)線電波傳播中的多徑效應(yīng)和衰落等原因，天線上感應(yīng)的有用信號(hào)強(qiáng)度往往有很大的起伏變化(可達(dá)60～80 dB)，且在許多情況下信號(hào)強(qiáng)度的變化是隨機(jī)的，甚至是快速的[10]。因此，為了避免接收機(jī)輸出電平出現(xiàn)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱、阻塞等現(xiàn)象的發(fā)生，無(wú)線電接收機(jī)中普遍采用自動(dòng)增益控制電路，壓縮有用信號(hào)強(qiáng)度的變化范圍，以穩(wěn)定接收機(jī)的輸出電平。AGC模塊是射頻前端電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，是實(shí)現(xiàn)接收機(jī)較高靈敏度和較大動(dòng)態(tài)范圍的核心，所以AGC模塊必須重點(diǎn)考慮。

常規(guī)AGC電路的基本原理是輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)，輸出信號(hào)的同時(shí)反饋到檢測(cè)電路，檢測(cè)電路的輸出與一個(gè)設(shè)置參考電壓合成差錯(cuò)信號(hào)，差錯(cuò)信號(hào)經(jīng)過(guò)變換形成控制VGA增益的控制電壓，從而改變VGA的增益，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。傳統(tǒng)AGC電路基本框圖如圖4所示。

圖4 AGC基本原理圖

單片VGA芯片的動(dòng)態(tài)范圍通常較小，較高檔的也只能達(dá)到40~50 dB，不能滿足接收機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求。本設(shè)計(jì)為了提高AGC的動(dòng)態(tài)范圍和線性范圍，采用了級(jí)聯(lián)兩片VGA芯片，共用一片檢測(cè)芯片的方案，基本框圖如圖5所示。

圖5 級(jí)聯(lián)形式的AGC

從圖5可以看出，兩個(gè)VGA芯片采用串聯(lián)形式，由一個(gè)檢測(cè)芯片提供增益控制電壓，形成反饋環(huán)。采用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以提高AGC的動(dòng)態(tài)范圍，理論上可提高兩倍。同時(shí)，由檢測(cè)芯片提供給VGA的增益控制電壓，可采用滑動(dòng)變阻器靈活設(shè)計(jì)分壓網(wǎng)絡(luò)，讓級(jí)聯(lián)的兩個(gè)VGA提供不同的增益，使VGA更好地工作在線性區(qū)內(nèi)。

AGC設(shè)計(jì)中，響應(yīng)時(shí)間也是非常重要的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，從輸入信號(hào)電平開(kāi)始變化到放大器增益做相應(yīng)變化這一段時(shí)間，稱為AGC電路的響應(yīng)時(shí)間[8]。通常用AGC電路的時(shí)間常數(shù)τ=RC來(lái)表示。響應(yīng)時(shí)間必須有一個(gè)折衷的考慮，既要對(duì)輸入信號(hào)的幅度變化做出及時(shí)的反應(yīng)，又要不改變信號(hào)本身所帶有的幅度信息(如幅度調(diào)制)。響應(yīng)時(shí)間由VGA和檢測(cè)芯片共同決定。

檢測(cè)芯片一般來(lái)講有四種類型，如包絡(luò)檢測(cè)(Envelope Detector)、平方律檢測(cè)(Square-law Detector)、均方根檢測(cè)(True-RMS Detector)、對(duì)數(shù)檢測(cè)(Log Detector)[9]。對(duì)于一般的信號(hào)選取四種檢測(cè)法則均可以，因?yàn)闄z測(cè)芯片的輸入信號(hào)一般處于連續(xù)的平均水平。但對(duì)于較大的突發(fā)性信號(hào)，四種法則的響應(yīng)是不同的。

4 硬件實(shí)現(xiàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果

射頻電路設(shè)計(jì)中，PCB的制作非常關(guān)鍵，直接影響到電路所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，要綜合考慮元件的布局、布線，最大限度的減少干擾和節(jié)約成本?；谝陨系姆治?，采用四層板設(shè)計(jì)并實(shí)際制作了接收機(jī)的硬件電路，其硬件PCB版圖如圖6所示。

圖6 硬件PCB版圖

對(duì)接收機(jī)的實(shí)際性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室條件下的硬件實(shí)測(cè)，接收信號(hào)由信號(hào)源代替，將信號(hào)源通過(guò)有線方式連接到接收板，然后再用示波器測(cè)量，其基本測(cè)試環(huán)境如圖7所示。

圖7 測(cè)試環(huán)境圖

實(shí)驗(yàn)室信號(hào)源能夠產(chǎn)生0～89 MHz的信號(hào)，頻率條件能夠滿足，幅度范圍只有-56.02～+23.98 dBm，故采用了外加衰減器調(diào)整信號(hào)的幅度，達(dá)到調(diào)整輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)較小輸入信號(hào)幅度的目的。

圖8為輸入信號(hào)為50 MHz，輸入信號(hào)幅度為-50 dBm(已疊加衰減器)的輸出波形。圖9為輸入信號(hào)為50 MHz，輸入信號(hào)幅度為-70 dBm的輸出波形。由圖8，圖9可知，輸入信號(hào)頻率相同，幅度不同，由輸出波形可知AGC正常工作，射頻前端電路工作良好。

圖8 實(shí)測(cè)波形1

圖9 實(shí)測(cè)波形2

圖10為輸入信號(hào)-10 dBm時(shí)的輸出波形，由輸出波形可知電路已達(dá)到飽和狀態(tài)。圖11為輸入信號(hào)為-100 dBm時(shí)的輸出波形，輸出信號(hào)幅度明顯減小，不能達(dá)到電路設(shè)計(jì)要求。

圖10 實(shí)測(cè)波形3

圖11 實(shí)測(cè)波形4

當(dāng)固定輸入信號(hào)頻率為40 MHz，改變輸入信號(hào)幅度，實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

由輸出信號(hào)幅度可知:接收板正常工作，特別是AGC起到關(guān)鍵作用，輸出信號(hào)穩(wěn)定在13 dBm(p-p值2 V)左右，波動(dòng)范圍1 dB以內(nèi)。

表1 接收板實(shí)測(cè)結(jié)果(f=40 MHz)dBm

輸入信號(hào)幅度輸出信號(hào)幅度-9012.6-8013.0-7013.1-6013.0-5013.1-4013.3-3013.4-2013.5

5 結(jié) 語(yǔ)

采用級(jí)聯(lián)形式的VGA，綜合考慮接收機(jī)預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)、各種芯片的性能參數(shù)，合理布局固定增益放大和可控增益放大的位置，設(shè)計(jì)了一種用于軟件無(wú)線電的接收機(jī)射頻前端電路，并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了硬件實(shí)測(cè)，接收機(jī)靈敏度達(dá)到-90 dBm，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到70 dB，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

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