一種寬帶零中頻收發前端設計

陳星锜，陳建軍

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.南京船舶雷達研究所 江蘇 南京 210003）

在現代數字相控陣雷達中，由于通道數達幾千，甚至上萬，因此零中頻架構所具備的小體積、低成本的應用就具有非常突出的意義。但是，由于零中頻架構所存在的直流偏差、I/Q幅相不平衡等典型問題[1]，限制了其在雷達中的實際應用。特別是由于雷達信號一般帶寬較寬，而國內外已經研究成功的補償技術都是針對帶寬較窄的通信信號。

本文著重介紹依靠現代高集成度的IC芯片，設計出符合FMC（FPGA Mezzanine Card）規范的通用寬帶零中頻收發前端板卡。

1 收發機結構

發射機大致可分為3種：一種是超外差式，由于第一本振頻率較低，可以達到較高的調制質量，功放與本振之間也具有良好的隔離度，但是復雜度較高；第二種就是直接上變頻發射機，由于功放靠近本振，會形成干擾，但是結構簡單；另外一種是直接數字調制發射機。

按照現代接收機拓撲結構，可將接收機分為超外差接收機，鏡像抑制接收機，零中頻接收機，低中頻接收機[2]。這些結構都有各自的優缺點。

1）超外差接收機

超外差接收機一般使用混頻器經過多次的下變頻將高頻信號變換成中頻頻率較低的信號，它需要高品質的鏡像抑制濾波器和信道選擇濾波器，可以達到很高的靈敏度、選擇性和動態范圍。然而集成這樣的高品質濾波器是有一定難度的，只能在片外實現。所以超外差式接收機集成度低，復雜度高。

2）鏡像抑制接收機

鏡像抑制接收機不需要鏡像抑制濾波器的電路結構能使鏡像信號得到一定的抑制。它可分為Hartley結構Weaver結構，這兩種結構的主要問題都是對兩路中頻信號相位、幅度不平衡的敏感，從而導致鏡像抑制效果不理想。

3）零中頻接收機

零中頻接收機直接將射頻信號變換到基帶。由于各端口的隔離度有限，必然存在一定的信號泄漏，本振信號的自混頻和強干擾信號的自混頻導致輸出直流分量，而且大的直流偏移可能使混頻器后的放大器飽和；有源器件的閃爍噪聲集中在低頻段，干擾了接收信號低頻分量，降低了接收機的信噪比；同鏡像抑制接收機一樣，它也存在著幅相不平衡的問題。但是，它不需要鏡像抑制濾波器，信道的選擇也只需要簡單的低通濾波器，這樣大大的提升了集成度，降低了成本。從提高集成度來考慮，這種結構是很好的選擇。

4）低中頻接收機

這種結構具有和零中頻結構類似的優點，同時也改善了直流偏移的問題。但是它要求很高的鏡頻抑制比，需要結合使用抑制鏡頻的變頻結構和額外的鏡頻抑制措施，比如采用鏡頻抑制濾波器，多相濾波器，數字濾波。

另外還有一種二次變頻寬中頻接收機，它的第一本振采用固定頻率，第二本振采用可變頻率，完成調諧功能；第二中頻為零中頻，可以使用低通濾波器選擇信道。這種結構使用兩次復混頻，有效地解決了鏡頻干擾。與零中頻相比，不存在直流漂移和本振泄露問題；但是它的第二本振頻率較低，要獲得大變頻范圍較困難。同時由于第一中頻處沒有信道選擇濾波，所有信道均被放大后進行變頻，相鄰信道干擾比較嚴重，所以對動態范圍的要求較高[3]。

本文采用零中頻架構，其結構簡單，成本低，功耗小，有利于系統的單片集成，適合應用在現代數字相控陣雷達中。

2 收發平臺設計

2.1 性能指標

1）上行通道

射頻頻率范圍：3.1～3.4 GHz

瞬時帶寬：80 MHz

D/A轉換率：128 MSPS

D/A位數：14 bit

2）下行通道

射頻頻率范圍：0.4～4 GHz

噪聲系數：<3 dB

瞬時帶寬：80 MHz

A/D采樣率：64 MSPS正交采樣

A/D位數：12 bit

2.2 設計方案

根據性能指標的要求，進行芯片的選擇，采取如下方案:上行通道由ADI的正交上變頻器ADL5375、自行設計的80MHz LC低通濾波器、TQS公司的低噪聲放大器AG403－86G組成。下行通道由低噪聲放大器WHM1045，ADI的正交下變頻器ADL5380，自行設計的80 MHz LC低通濾波器組成。0.4～4 GHz的本振可用ADF4350實現；AD/DA用12bit/64MSPS，14bit/128MSPS的AD9862實現。收發前端整體結構如圖1所示。

圖1 寬帶零中頻收發前端框圖Fig.1 Structure diagram of the broadband zero-if transceiver front-end

1）寬帶頻率合成器ADF4350

ADF4350[4]結合外部環路濾波器和外部基準頻率使用時，可實現小數N分頻或整數N分頻鎖相環（PLL）頻率合成器。ADF4350具有一個集成電壓控制振蕩器（VCO），其基波輸出頻率范圍為2.2～4.4 GHz。此外，利用1/2/4/8/16分頻電路，用戶可以產生低至137.5 MHz的RF輸出頻率。

2）寬帶正交調制器ADL5375

ADL5375[5]是一款調制范圍可達400 MHz～6 GHz的寬帶正交調制器，其出色的相位精度和幅度平衡特性使其適用于高性能中頻或直接射頻調制通信系統。ADL5375適用寬基帶信號，在450 MHz～3.5 GHz范圍內輸出增益平坦，變化不超過1 dB，寬帶輸出回損低于－12 dB。ADL5375適合寬帶零中頻或低中頻到射頻的應用，寬帶數字預失真發射機和多頻帶射頻設計。

3）寬帶正交解調器ADL5380

ADL5380是一款寬帶正交I/Q解調器[6]，涵蓋400 NGz～6 GHz的RF/IF輸入范圍。在900 MHz時，其噪聲系數為10.9 dB，IP1 dB為 11.6 dBm，三階交調截點為 29.7 dBm；具有出色的動態范圍。其解調精度非常出色，幅度平衡和相位平衡分別約為0.07 dB和0.2°。解調相內和正交差分輸出經過完全緩沖，提供約7 dB的電壓轉換增益。完全平衡的設計極大地降低二階失真的影響。從LO端口至RF端口的泄漏小于－50 dBm。

4）寬帶混合信號前端處理芯片AD9862

AD9862是一款適合寬帶通信市場的多功能集成混合信號前端芯片[7]。AD9862的接收路徑包括用以在基帶或低中頻上接收多種數據或正交 （I、Q）數據的兩個高性能12位，64MSPS的ADC、輸入緩沖器、可編程增益放大器、數字希爾伯特濾波器和抽取濾波器。輸入緩沖濾波器給兩通道提供了固定輸入阻抗與外部元件阻抗匹配。接收可編程增益放大器可以提供20 dB的增益范圍。

AD9862發射路徑包括兩個高性能 14位，128MSPS的DAC，可編程放大器，插值濾波器，希爾伯特濾波器和適合實復信號調制的數字混頻器。發射可編程增益放大器可提供超過20 dB的增益范圍。

2.3 核心芯片間匹配設計

1）ADF4350 輸出匹配

ADF4350的輸出匹配有多種方法，最基本的方法是將一個50Ω電阻連到Vvco。如圖2所示，串聯一個100 pF的直流旁路電容。該電阻與頻率無關，因而可以提供良好的寬帶匹配性能。還有一種解決方案就是將一個分流電感（充當RF扼流圈）連到Vvco，由此可以獲得更好的匹配性能，從而提供更高輸出功率。由于本設計是對寬帶信號的設計，所以選用前面一種方法。

2）DA至ADL5375、ADL5380至AD匹配低通濾波器設計

圖2 ADF4350匹配輸出級Fig.2 ADF4350 matching output

AD輸入端低通濾波器：可以選擇通帶內群延遲特性最為平坦的貝塞爾型濾波器。采用7階貝塞爾濾波器，根據歸一化貝塞爾低通濾波器[8]，按截止頻率80 MHz，特征阻抗50Ω設計。根據AD9862芯片手冊得知AD差分輸入阻抗為200Ω，所以須并聯68Ω電阻降為50Ω，才能形成匹配。AD輸入端設計的低通濾波器如圖3所示。

圖3 AD輸入端低通濾波器Fig.3 Low pass filter of AD input terminal

DA輸出端低通濾波器：采用7階貝塞爾濾波器，按截止頻率80 MHz，特征阻抗100Ω設計。由于ADL5375的輸入端為60 kΩ高阻，所以須并聯100Ω的電阻降為100Ω，才能形成匹配。DA輸出端設計的低通濾波器如圖4所示。

圖4 DA輸出端低通濾波器Fig.4 Low pass filter of DA output terminal

3 性能測試

采用Agilent信號源給FMC板卡接收端灌入512.5 MHz，功率為-10 dBm的正弦信號，本振信號為500 MHz。將ChipScope獲取的基帶I/Q采樣數據導入Matlab進行仿真分析，幅度平衡約在0.22 dB，相位平衡約在10.2°，鏡像抑制比達8.343 dB。如圖5所示。

為改善板卡性能，可用信號源產生不同頻率的信號，灌入RF輸入端，AD的轉換結果通過FMC插座傳給FPGA，進而傳給計算機，得到I/Q數據。通過補償算法分析I/Q數據，得到補償參數。再將補償參數傳給FPGA，在FPGA內部用專用高速乘加單元對I/Q數據進行各種運算，實現對I/Q幅相的補償。

4 結束語

圖5 I/Q基帶信號Fig.5 I/Q baseband signal

文中主要介紹了一種寬帶零中頻收發前端的設計。通過提出性能指標，選用合適的芯片，介紹了寬帶正交調制器ADL5375、寬帶正交解調器ADL5380等核心芯片的功能特點，然后對核心芯片間的匹配接口進行分析設計。最后測試了設計的相關性能，基本達到要求。同時在設計后發現一些問題，如FMC零中頻板卡上的80 MHz晶振干擾了上行通道的一個支路，造成輸出約有-40 dB的雜散。所以，時鐘與敏感信號之間的距離要更遠，并且要用地線和打孔屏蔽。本設計在70×75 mm的FMC板卡上完成收發功能，這種小體積、低成本方案可以運用在現代數字相控陣雷達中。

[1]張報明，劉永紅，楊睛龍，等.寬帶無線通信系統的零中頻接收機設計[J].電信科學，2011（12）:144-148.ZHANG Bao-ming，LIU Yong-hong，YANG Jing-long，et al.Design of ZIF receiver for broadband wireless communication system[J].Telecommunication Science，2011（12）:144-148.

[2]Laskar J，Matinpour B，Chakraborty S.Modern receiver frontends:systems， circuits， and integration[M].John Wiley&Sons，2004.

[3]周偉中.VHF/UHF接收機的研究與設計[D].成都：西南交通大學，2010.

[4]Analog Device Inc.ADF4350 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[5]Analog Device Inc.ADL5375 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[6]Analog Device Inc.ADL5380 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[7]Analog Device Inc.AD9862 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[8]森榮二.LC濾波器設計與制作[M].薛培鼎，譯.北京：科學出版社，2006.