一種寬帶接收機(jī)中放單元的設(shè)計(jì)

曹 強(qiáng)，高永安

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海200063)

現(xiàn)代寬帶網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)與傳統(tǒng)的超短波電臺(tái)的不同之處在于它具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有抗干擾、動(dòng)中通和組網(wǎng)能力。目前國際上寬帶網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)的主要代表有:NTDR(近期數(shù)字無線電臺(tái))、JTRS(聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng))、FCS-C電臺(tái)(未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)-通信)。其中以FCS-C低頻段電臺(tái)為典型代表，主要采用了多載波調(diào)制、自適應(yīng)矢量正交頻分復(fù)用和基于定向天線的Adhoc多跳網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。本文主要介紹了一種基于超外差二次混頻結(jié)構(gòu)的寬帶網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)中放單元的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)中放單元輸入端接收到不同幅度信號(hào)時(shí)，數(shù)字終端系統(tǒng)調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8367的增益使輸出的中頻功率仍在ADC的可調(diào)范圍之內(nèi)。

1 射頻前端總體方案制定

二次變頻的超外差接收方案把接收到的高頻信號(hào)變換成固定的中頻信號(hào)后解調(diào)，容易在獲得較大的增益的同時(shí)保證電路的穩(wěn)定性?；祛l后的一中頻采用高中頻值，以提高鏡像頻率抗拒比，二中頻采用低中頻值，便于選擇中頻濾波器，完成提取有用信道抑制鄰道干擾的任務(wù)。該方案的工作頻段是225 MHz～512 MHz，輸出的中頻頻率是21.4 MHz，電平值范圍-10 dBm～0 dBm之間，中頻帶寬有1.8 MHz和7.2 MHz可選。總體方案框圖如圖1所示。高放部分的增益是30 dB，噪聲系數(shù)是5 dB，接收機(jī)靈敏度公式是:

接收機(jī)系統(tǒng)中頻的最大帶寬是7.2 MHz，解調(diào)器所要求的輸出信噪比是12 dB，接收機(jī)所能檢測(cè)的最低輸入信號(hào)電平經(jīng)計(jì)算可得為-88 dBm。

為了留有足夠的裕量，將中放單元的增益設(shè)為70 dB

圖1 總體方案框圖

2 中放單元設(shè)計(jì)

射頻信號(hào)頻率范圍是225 MHz～512 MHz，頻率合成器提供的第一本振頻率是1 325 MHz～1 612 MHz，混頻后輸出1 100 MHz的高中頻信號(hào)。這時(shí)鏡像信號(hào)頻率是2 425 MHz～2 712 MHz，已經(jīng)遠(yuǎn)離輸入信號(hào)頻率，預(yù)選濾波器可以將鏡像信號(hào)足夠衰減。第一中頻濾波器的選擇性要足夠的好，這樣就可以充分衰減第二鏡像信號(hào)1 057.2 MHz和半中頻信號(hào)1 089.3 MHz，從而減小對(duì)后級(jí)電路的影響。該方案1 100 MHz帶通濾波器的帶寬是15 MHz。第二本振的頻率是1 078.6 MHz，混頻后輸出21.4 MHz的中頻信號(hào)，第二中頻值較低，比較容易選擇濾波器。自動(dòng)增益控制電路調(diào)整鏈路的放大增益，使不同接收幅度的信號(hào)經(jīng)過接收鏈路后，到達(dá)ADC的幅度保持平穩(wěn)。

2.1 中頻頻率和帶寬的選擇

第一中頻頻率和帶寬的選擇對(duì)于接收機(jī)性能有很大的影響，混頻器是實(shí)現(xiàn)頻譜變換的非線性電路，非線性特性將信號(hào)頻率和本振頻率變換成中頻，但與此同時(shí)還產(chǎn)生一些諧波頻率和組合頻率，用通式表示，可寫為

式中，p、q為0、1、2……非負(fù)整數(shù)，它們分別代表本振頻率fl和信號(hào)頻率fs諧波次數(shù)。以高端注入為例，顯然只有fl-fs才是有用的中頻信號(hào)，其它頻率分量都可視為對(duì)信號(hào)的干擾，當(dāng)上述組合頻率分量中某些頻率分量等于或接近于中頻時(shí)將對(duì)有用信號(hào)形成影響，即

上式包含以下4種情況:

上述能夠成立的公式經(jīng)整理可得:

以高端注入為例，

上述兩式整理得到

若已知接收機(jī)覆蓋頻段為Fsmin～Fsmax，能進(jìn)入射頻通道的最低RF頻率為Fsmin，一中頻上限頻率Fimax為fi+0.5Bif，其中Bif為一中頻的帶寬。令為非負(fù)實(shí)數(shù)，必有p≥n，而q≥(n+1)只要組合頻率分量的階數(shù)(p+q)≥(2n+1)遠(yuǎn)大于9，則可認(rèn)為一中頻中心頻率及一中頻帶寬取值合理，其造成的干擾雜波信號(hào)以可忽略不計(jì)。

2.2 混頻器

該方案使用的混頻器是凌特公司的LT5521，它是一種線性度非常高的有源雙平衡混頻器，具有出眾的LO-RF隔離性能，低LO泄露和寬帶的輸出范圍。在250 MHz信號(hào)與1.7 GHz本振頻率混頻輸出1.95 GHz的信號(hào)時(shí)，該混頻器有-0.5 dB的轉(zhuǎn)換增益、24.2 dB的輸入三階截?cái)帱c(diǎn)和12.5 dB的噪聲系數(shù)。LT5521的輸入和輸出都是差分形式，在設(shè)計(jì)中要采用傳輸線變壓器來實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)向雙端信號(hào)的變換。

2.3 自動(dòng)增益控制

該方案采用AD公司的AD8367。它是一款可變?cè)鲆嬷蓄l放大器，采用X-AMP結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的增益控制特性，能提供45 dB范圍的增益控制，主信號(hào)通道包括一個(gè)42.5 dB的固定增益放大器和一個(gè)提供0～45 dB衰減量的電壓控制可變衰減器，其3 dB增益的截止頻率達(dá)到500 MHz，在70 MHz的中心頻率下，其最大增益達(dá)到42.5 dB，最小增益達(dá)-2.5 dB。該芯片有Gain Up和Gain Down這2種工作模式，模式選擇通過Mode引腳的外加邏輯電平控制，當(dāng)接高電平時(shí)其增益隨控制電壓的增加而遞增:Gain(dB)=50Vgain-5。當(dāng)Mode接地時(shí)增益隨電壓遞減:Gain(dB)=45-50·Vgain，其增益控制因數(shù)為19.9 mV/dB，具體特性如圖2所示。該方案采用Gain Up模式。AD8367的輸入輸出特性阻抗為200 Ω，需要在VGA的輸入和輸出端進(jìn)行阻抗匹配。該方案采用電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示電阻匹配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生11.5 dB的插入損耗，但是頻帶很寬，可以在輸出端添加一級(jí)中頻放大來補(bǔ)償這個(gè)損耗。

圖2 AD8367的增益控制特性

圖3 AD8367的寬帶匹配電路

2.4 濾波器

該方案采用的濾波器是某電子公司生產(chǎn)的RB1100-10-7F介質(zhì)濾波器，它的技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)中心頻率:1 100 MHz

(2)3 dB帶寬:≥15 MHz

(3)40 dB帶寬:≤35 MHz

(4)帶內(nèi)波動(dòng)≤0.5 dB

(5)中心插損≤8 dB

(6)群延時(shí)波動(dòng):≤20 ns

21.4 MHz中頻帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)3 dB帶寬:7.2 MHz

(2)插入損耗:1.5 dB

(3)帶內(nèi)波動(dòng):≤0.8 dB

(4)阻帶抑制:≥70 dB

(5)群延時(shí)波動(dòng)≤100 ns

在寬帶通信系統(tǒng)中，如果輸入信號(hào)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)后受到同樣的衰減和相位延時(shí)，輸出端就會(huì)恢復(fù)原信號(hào)波形，否則就會(huì)產(chǎn)生波形畸變，群延時(shí)對(duì)于寬帶系統(tǒng)具有重要的意義。

2.5 系統(tǒng)鏈路仿真

利用ADS2009仿真軟件，對(duì)方案進(jìn)行系統(tǒng)仿真，如圖4所示。接收機(jī)各模塊參數(shù)均按照廠商生產(chǎn)的器件進(jìn)行設(shè)置。225 MHz，-70 dBm的射頻信號(hào)經(jīng)兩次變頻后輸出至中頻，為了設(shè)計(jì)具有大動(dòng)態(tài)范圍、寬帶可選的中放單元電路，本方案采用增益可變的中頻放大器AD8367和數(shù)控衰減器，它們有數(shù)字終端系統(tǒng)控制。數(shù)字終端系統(tǒng)根據(jù)射頻前端檢波電路提供的電壓值調(diào)節(jié)可變中頻放大器的增益和衰減器的衰減量，使不同接收功率的信號(hào)經(jīng)過接收鏈路后，到達(dá)ADC的功率保持平衡，選擇1.8 MHz或7.2 MHz中頻帶寬的帶通濾波器可以通過開關(guān)控制。仿真的中頻頻譜結(jié)果如圖5所示。

圖4 ADS系統(tǒng)仿真圖

3 仿真與實(shí)際測(cè)試結(jié)果

中放單元由DH1718D-4提供5 V和1 V電源電壓下測(cè)試，兩個(gè)AV1485射頻合成信號(hào)發(fā)生器分別提供225 MHz，-70 dBm和1 325 MHz，-5 dBm的信號(hào)，Agilent E4438信號(hào)發(fā)生器提供1 078.6 MHz，-5 dBm的信號(hào)，頻譜儀Agilent E4401B顯示輸出中頻結(jié)果，通過開關(guān)選擇帶寬為1.8 MHz或7.2 MHz的帶通濾波器通路選擇不同的中頻帶寬。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，窄帶寬(1.8 M)輸出中頻電平-6.3 dBm，寬帶(7.2 M)輸出中頻電平-4.3 dBm。由于帶寬選擇濾波器插損不同導(dǎo)致輸出電平起伏，但仍在ADC的最佳可控范圍之內(nèi)

圖5

圖6

仿真特性圖5與測(cè)試結(jié)果圖6存在一定的差異，這是因?yàn)锳DS仿真用到的都是行為級(jí)功能模塊，沒有考慮實(shí)際電路中存在的問題，所以不能確切地反映實(shí)測(cè)結(jié)果，但為實(shí)際電路的設(shè)計(jì)奠定了一定的基礎(chǔ)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

4 結(jié)語

本方案利用AD8367可變?cè)鲆嬷蓄l放大器模塊設(shè)計(jì)了一種寬帶中放單元電路，使整機(jī)具有較好的抗干擾性能和增益可控功能，并改善了寬帶接收信號(hào)的群延時(shí)特性，適用于多載波寬帶網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)。

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