一種2～4 GHz寬帶接收機的小型化前端設(shè)計

余　江，曹云建，熊　韜

(廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510656)

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一種2～4 GHz寬帶接收機的小型化前端設(shè)計

余江，曹云建，熊韜

(廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510656)

摘要：針對2～4 GHz的超寬頻帶，提出了一種寬帶接收機的前端設(shè)計方法，其中包括射頻信道設(shè)計、頻率合成器的設(shè)計以及基帶電路設(shè)計。鑒于小型化的設(shè)計思想，射頻前端采用零中頻接收機的架構(gòu)，使用LTCC濾波器實現(xiàn)噪聲系數(shù)優(yōu)于8 dB，輸出三階截斷點優(yōu)于27 dBm(低噪聲模式下)。頻率合成器采用集成VCO的鎖相環(huán)芯片ADF4351，實現(xiàn)單邊帶相位噪聲優(yōu)于-110 dBc/Hz@200 kHz。基帶電路采用正交解調(diào)器ADL5380和12位雙通道AD轉(zhuǎn)換器AD9238，可實現(xiàn)帶寬為20 MHz的I/Q雙路同時解調(diào)。通過FPGA或DSP處理，可廣泛用于便攜式小型化的監(jiān)測接收機或通信接收機。

關(guān)鍵詞：2～4 GHz直采接收機；ADF4351；ADL5380

0引言

伴隨著集成電路的迅猛發(fā)展，通信接收機技術(shù)也正向著小型化、寬帶化和高頻化方向發(fā)展。由于接收機在整個系統(tǒng)的最前端，其性能的好壞直接關(guān)系到整個通信系統(tǒng)通信質(zhì)量。目前國內(nèi)外對超寬帶射頻接收機都進行了研究，特別是在20～3 600 MHz的寬帶接收機已廣泛用于各類監(jiān)測和通信系統(tǒng)中。本文在小型化和低功耗的前提下，基于零中頻接收機的基本架構(gòu)，從射頻信道、頻率合成和基帶處理3個方面對2～4 GHz的寬帶接收機進行了設(shè)計。基于本設(shè)計，可以通過頻段拼接或下變頻技術(shù)，實現(xiàn)20 MHz～8 GHz或是更高頻段的接收機前端。

1射頻信道設(shè)計

超外差射頻接收機早在1920年發(fā)明至今，憑借其在噪聲低、動態(tài)范圍高、選擇性強和抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，被廣泛用于各種接收機中。但是由于一次或多次變頻，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)大和成本高。因此本設(shè)計采用零中頻接收機的架構(gòu)，零中頻接收機發(fā)展至今，技術(shù)已非常成熟，如圖1所示，零中頻接收機具有電路形式簡單、體積小和功耗低等優(yōu)點。

如圖1所示，零中頻接收機將從天線接收到的信號經(jīng)過放大濾波后，與同頻率且正交的本振信號混頻，得到相互正交的基帶信號，即I/Q信號，基帶信號通過濾波放大和AD量化后，通過FPGA、DSP處理，形成完整通信系統(tǒng)接收鏈路[1-5]。

圖1 　零中頻接收機結(jié)構(gòu)圖

為保證AD轉(zhuǎn)換器性能的發(fā)揮和足夠大的輸入動態(tài)范圍，寬帶射頻信道前端采用FPGA控制信道增益的方式，通過開關(guān)控制，可以實現(xiàn)很低的靈敏度和保證強信號的接收時不會使AD溢出，接收機信道圖如圖2所示。

圖2 　2~4 GHz寬帶接收機信道圖

天線接收的信號(頻率范圍2 ～4 GHz)經(jīng)保護二極管后通過LTCC高低通濾波器，對帶外低端的信號進行衰減，隨后進入一分二的開關(guān)選擇網(wǎng)絡(luò)，2個信號通路分別為低噪聲放大器或10 dB模擬衰減電路，然后經(jīng)過一級高低通濾波器對帶外信號進行抑制，隨后通過射頻的第二級低噪聲放大器進行放大，以補償濾波器的插入損耗，在信道中，通過放大、濾波以及衰減的合理配置，以實現(xiàn)信道的增益控制，調(diào)整步進為1 dB。信道增益、噪聲系數(shù)和輸出三階截斷點的仿真結(jié)果如圖3所示：整個射頻信道增益為20.5 dB，實現(xiàn)噪聲系數(shù)7 dB，輸出三階截斷點為27.27 dBm。

圖3　2~4 GHz寬帶接收機信射頻信道仿真圖

2頻率合成設(shè)計

設(shè)計中采用零中頻的接收機結(jié)構(gòu)，需要的本振頻率為2～4 GHz，鑒于小型化的設(shè)計思想，采用集成VCO的寬帶頻率合成器ADF4351[6-9]。ADF4351是ADI公司生產(chǎn)的一款低噪聲寬頻帶PLL，歸一化噪聲基地為-221 dBc/Hz，VCO輸出頻率范圍為2 200～4 400 MHz，利用內(nèi)部可編程分頻器，輸出頻率可低至35 MHz。在本設(shè)計中，需要2 000～4 000 MHz的本振頻率，僅僅是VCO輸出不能進行全頻段覆蓋，故將VCO輸出頻率分為2 200～4 000 MHz的一分頻與4 000～4 400 MHz的二分頻的頻率組合，提供覆蓋2 000～4 000 MHz的全頻段本振輸出。

根據(jù)鎖相環(huán)設(shè)計理論，在VCO壓控靈敏度，鑒相器鑒相增益一定的情況下，PLL的設(shè)計主要是環(huán)路濾波器的設(shè)計，利用ADI公司PLL仿真工具ADIsimPLL，采用10 MHz晶振作為參考頻率，鑒相頻率為100 kHz進行仿真設(shè)計，電路圖與環(huán)路濾波器電路圖如圖4所示。在4.4 GHz處的相位噪聲為-113 dBc/Hz@200 kHz，經(jīng)過二分頻，鎖相環(huán)在2.2 GHz處的相位噪聲達到-119 dBc/Hz@200 kHz，滿足小型化監(jiān)測接收機的技術(shù)要求。

圖4　 ADF4351電路圖

3基帶設(shè)計

基帶變頻采用ADI公司的正交解調(diào)器ADL5380，其覆蓋頻率從400 MHz～6 GHz，具有高隔離度和高動態(tài)范圍的優(yōu)點，可廣泛用于CDMA、W-CDMA、TDSCDMA、PHS、LTE與WiMAX標準的系統(tǒng)中，基帶電路圖如圖5所示。

圖5　基帶電路圖

如圖5所示，天線信號經(jīng)過射頻信道的濾波放大處理后，經(jīng)過ADL5380ACPZ正交解調(diào)為I/Q兩路信號，分別經(jīng)過兩路帶有抗混疊濾波器的放大器LT6600，LT6600-10實現(xiàn)濾波和放大功能，該芯片是一塊噪聲極低差分放大器和10 MHz低通濾波器，它將一個全差分放大器和一個近似契比雪夫(Chebyshev )頻響的4階10 MHz的低通濾波器集成在一起。大多數(shù)差分放大器都需要多個精準的外部元件來對增益和帶寬進行修整，且濾波器10 MHz截止頻率和通帶波紋是在內(nèi)部設(shè)定，無需外部元件，芯片內(nèi)部還提供了必要的電平移位，用于輸出共模電壓，I/Q信號經(jīng)過AD9238雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化，該芯片采用3.3 V供電，速度可選20 MS/s、40 MS/s和65 MS/s。它可以提供與單通道A/D轉(zhuǎn)換器同樣優(yōu)異的動態(tài)性能，但是比使用2個單通道A/D轉(zhuǎn)換器具有更好的抗串擾性能。AD9238的2個ADC通道除了共用內(nèi)部的電壓參考源VREF外，其他基本都是獨立的。AD9238采用流水線工作方式，在每個時鐘信號的上升沿進行采樣，經(jīng)過7個時鐘周期后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上。AD9238的輸出數(shù)據(jù)為TTL/CMOS兼容電平，送入FPGA進行FFT和數(shù)字處理，實現(xiàn)對信號的接收和處理的全過程。

4 結(jié)束語

本文所提出寬帶接收機的設(shè)計覆蓋整個S頻段，通過合理的信道、頻合、基帶設(shè)計，實現(xiàn)了低噪聲，高動態(tài)范圍的射頻前端，在1 kHz分辨率帶寬下，能夠發(fā)現(xiàn)-135 dBm的微弱信號。本文所設(shè)計的基帶電路與本振電路的設(shè)計可以作為獨立模塊，用于超外差接收機的可變本振，超寬帶接收機數(shù)字前端的電路中。本接收機基于零中頻接收機的架構(gòu)優(yōu)勢[10,11]，采用小型化和集成化的器件，能夠?qū)崿F(xiàn)手持式S頻段全頻段監(jiān)測接收機，在此基礎(chǔ)上，通過合理的下變頻設(shè)計，可以實現(xiàn)更寬頻段的小型化接收機。

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Small Front-end Design of a 2~4 GHz Wideband Receiver

YU Jiang,CAO Yun-jian,XIONG Tao

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company,Guangzhou Guangdong 510656,China)

Abstract：For ultra-wideband of 2~4 GHz,a method of wideband receiver front-end design is proposed,which includes RF channel design,frequency synthesizer design and baseband circuit design.Given the small size of the design,the RF front-end adopts a zero-IF receiver architecture,uses LTCC filters to realize a noise figure of better than 8 dB,and achieves an output of third-order intercept point better than 27 dBm (low-noise mode).The frequency synthesizer adopts a VCO integrated PLL chip ADF4351,realizing a SSB phase noise better than -110 dBc/Hz @ 200 kHz,and the scanning speed is better than 40 GHz/s.The baseband circuit uses an ADL5380 quadrature demodulator and a 12-bit dual-channel AD converter AD9238,which achieves 20 MHz-bandwidth simultaneous I/Q dual demodulation.By FPGA or DSP processing,it can be widely used in portable miniaturized monitoring receivers or communications receivers.

Key words：2~4 GHz direct sampling receiver; ADF4351; ADL5380

中圖分類號：TN911.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-96-3

作者簡介：余江 (1985—)，男，碩士研究生，主要研究方向：射頻信道技術(shù)。曹云建(1981—)，男，高級工程師/碩士研究生，主要研究方向：射頻接收機技術(shù)。

收稿日期：2015-12-14

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.25

引用格式：余江，曹云建，熊韜.一種2～4 GHz寬帶接收機的小型化前端設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):96-98.