一種接收超寬帶射頻信號的方法研究與仿真分析

梁　博

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

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一種接收超寬帶射頻信號的方法研究與仿真分析

梁博

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

摘要：在射頻接收機的設計中，由于濾波器的帶寬和頻率源的限制，一般接收機的帶寬無法達到幾百兆的超帶寬范圍。設計一種超帶寬射頻信號的接收方法，通過五路功分和合理選擇射頻器件，可以在保證信號指標要求的情況下，有效地對250 MHz帶寬的射頻信號進行接收和下變頻。最后通過ADS軟件進行射頻仿真分析，驗證了本接收方法的主要指標滿足要求。

關鍵詞：射頻接收機；超帶寬；仿真分析

0引言

以2.1～2.35 GHz的射頻信號范圍為例，設計了一種寬帶接收方式，將S頻段250 MHz的射頻信號分5路下變頻通道進行接收，將2.1～2.35 GHz的射頻信號下變頻為240 MHz左右的中頻信號，傳輸給數字信號板進行數字處理[1]。并通過ADS軟件進行射頻指標仿真，分析了采用本方法的例子的主要指標的達標情況，仿真結果滿足指標要求。

1接收通道主要指標參數

本文設計的接收機，既要完成射頻信號的下變頻工作，又要保證接收過程中信號的主要參數指標具有較為優秀的性能。

主要的參數指標有：輸入信號頻率：2 100～2 350 MHz；輸入信號電平值范圍：-90～-30 dBm；噪聲系數：≤6 dB；增益：50 dB±1.5 dB；鏡像抑制：>80 dBc；輸出信號頻率：215～265 MHz；輸入3階交調值：>-35 dBm;中頻輸出雜散抑制：>65 dBc；輸出信號電平值：≤10 dBm。

2超寬帶射頻信號接收方法介紹

圖1所示為接收通道的電路原理圖。由原理圖可知，接收方法是通過第1級濾波放大后，經過3層二功分器，將1路射頻信號分為5個支路分別進行下變頻和放大濾波，得到以240 MHz為中心頻率的5路中頻信號并輸出。

圖1　接收通道電路原理圖

由設計指標可知，每一路接收通道要求增益為50 dB，噪聲系數要求為“噪聲系數≤6 dB”。噪聲系數是決定接收通道接收小信號能力的一個重要指標，以下是根據級聯情況下，整個系統的噪聲系數公式[2]：

(1)

根據公式可知，要想獲取較低的噪聲系數，就必須使接收通道中的前端電路損耗盡量小，增益盡量大。

從接收通道的原理框圖中可以看到，由于每個接收通道只有一路射頻信號輸入，卻產生了5路獨立中頻信號輸出，因此在前端電路的設計中將加入功分器來進行信號分路，這就會在前端電路中引入衰減，造成接收通道噪聲系數的惡化。因此如何進行信號分路以及前端放大器的合理選擇，是本方法實現噪聲系數指標要求的關鍵。綜合考慮諸多因素，放大器選擇了Hittite公司的HMC753LP4E放大器，增益為16.5，噪聲系數為1.5，輸出1 dB壓縮點為18 dB；功分器選擇中電13所的BW491SM4。經計算，得知通道的噪聲系數約為4.33 dB，滿足指標要求。

接收通道3階交調信號的大小，體現接收通道在多信號同時輸入時的抗干擾能力。結合模塊增益將指標換算到輸出端，即“輸出3階交調值IIP3>15 dBm”。從圖2所示的接收通道框圖中可以看出，影響指標的器件為鏈路上的放大器、衰減器和混頻器。各級器件指標要求及器件指標實際達到情況見表1。

從表1可以看出，為了達到“輸出3階交調值IIP3>15 dBm”的要求，必須滿足各級器件的輸出3階交調值加上此器件后級鏈路的增益大于15 dBm。接收通道IIP3值主要由末級放大器決定，對末級放大器的性能要求最高，可以通過選擇高線性的放大器來提升這個指標。接收通道方案中確定末級放大器為Avago公司的PMA-5451+,其性能指標如下:

增益:25.1 dB@240 MHz

OIP3:≥27.9 dBm@240 MHz

P1 dB:≥17 dBm@240 MHz

表1　輸出IIP3達到情況分析表

結合圖1所示接收通道方案框圖，接收通道末級放大器PMA-5451+后還有低通濾波器、限幅衰減和阻抗匹配電路，這些電路帶入的損耗有7 dB，所以接收通道OIP3為20.9 dB，并通過以下計算過程得到輸入IIP3值[3]:IIP3=OIP3-G=20.9-50=-29.1 dBm,滿足接收通道輸入帶內3階截點>-35 dBm的要求。

3寬帶接收通道仿真分析

接收通道的仿真主要包括鏈路預算仿真、3階互調、高次諧波和鏡頻抑制仿真,分別針對通道的增益、噪聲系數、線性度等參數性能以及對雜散、諧波以及鏡頻干擾信號的抑制程度。下面對5路接收支路中的1路進行射頻仿真分析[4]。

3.1鏈路預算分析

接收通道的鏈路預算仿真原理圖如圖 2所示，在 ADS 軟件中通過鏈路預算仿真通道預算控制器對通道的各項參數進行分析。圖2中B為帶寬；FC為中心頻率；NF為噪聲系數,單位dB。已知輸入射頻信號的頻率為2 125 MHz，功率為-90～-30 dBm。由仿真結果可以得到輸入功率改變時，通道增益、噪聲系數、輸出3階交調截點和 1 dB壓縮點等參數的變化情況。

圖2　接收通道鏈路預算仿真原理圖

(1) 當輸入信號幅度為-60 dBm時，由圖3可知，通道的總增益約為 51.3 dB，噪聲為4.24 dB，OIP3和P1 dB值分別為 17.9 dBm 和 6.96 dBm，輸出功率為1.28 dBm。

(2) 當輸入信號幅度為-30 dBm時，由圖4 可知，通道的總增益約為 39.7 dB，噪聲為4.24 dB，OIP3和P1 dB值分別為 17.9 dBm 和 6.96 dBm，輸出信號值為9.73 dBm。

圖3　小信號時鏈路預算仿真結果

圖4　大信號時鏈路預算仿真結果

3.2三階交調分析

向接收通道輸入功率為-60 dBm，頻率分別為2 125 MHz 和 2 130 MHz 的雙音信號，在 ADS 中利用“HARMONIC BALANCE”諧波仿真器對通道的非線性特性進行仿真分析，仿真原理如圖5所示。

圖5　3階交調仿真原理圖

由圖6中結果可以看出，在-60 dBm輸入雙音信號時，中頻輸出信號對其3階交調信號的抑制度約為53 dBc,代入公式[5]：

(2)

可得輸入3階交調系數IP3的值為-33.6 dBm，大于要求值-35 dBm,滿足指標要求。

圖6　3階交調結果圖

3.3高次諧波和鏡頻抑制度分析

由混頻器和放大器的非線性特性產生的組合頻率,通過諧波分析的方法來觀察這些干擾對系統的影響程度，仿真原理如圖5所示。圖 7中 Mixer(1)

表示射頻信號(2 125 MHz)的諧波次數， Mixer (2)表示本振(2 365 MHz)的諧波次數。結果表明除了本設計需要的(1，-1)頻率組合外，其他高次組合分量都非常小。

圖7　高次諧波仿真結果

圖8左圖是2 125 MHz對應的中頻輸出信號，右圖是2 605 MHz對應的中頻輸出。可知，鏡頻信號2 605 MHz輸入接收通道系統時，其輸出非常小，達到指標要求的鏡頻抑制度要求。

圖8　鏡頻抑制結果

4結束語

本文描述的這種超寬帶射頻信號的接收方法，經過仿真分析對各項指標進行了驗證。分析結果證明，本方法各項指標都達到了要求，能夠有效地對2 100～2 350 MHz的射頻信號進行下變頻。本方法可以引用到其他頻段的射頻信號接收通道設計中，對超帶寬的射頻信號進行下變頻。

參考文獻

[1]QIU X Z,OSSIEUR P.Development of GPON upstream physical-media-dependent prototypes[J].Journal of Lightwave Technology,2004,22(11):2498-2508.

[2]賈鋒,楊瑞民.射頻接收前端的ADS設計與仿真[J].計算機工程與應用,2014(13):219-223.

[3]HAN S,LEE M S.Burst-mode penalty of AC-coupled optical receivers optimized for 8B/10B line code [J].IEEE Photonics Technology Letters,2004,16(7):1724-1726.

[4]OSSIEUR P,VERHULST D,MARTENS Y,et al.A 1.25-Gb/s burst-mode receiver for GPON applications [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2005,40(5):180-189.

[5]田玲,朱紅兵,洪偉.超寬帶射頻接收機的研制[J].電子學報,2007(10):1838-1842.

Study and Simulation Analysis of A method for Receiving Ultra-wideband Radio Frequency Signal

LIANG Bo

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

Abstract:In the design of the radio frequency (RF) receiver,due to the limit of filter bandwidth and frequency resource,the bandwidth of usual receiver can not reach the ultra-wideband range of hundred MHz.This paper designs a new receiving method of ultra wideband RF signal,which uses five-channel power divider and selects reasonable RF devices to performs reception and frequency down-conversion to the RF signal of 250 MHz bandwidth effectively under the status satifying the signal index request,finally performs RF simulation analysis through ADS software,verifies that the main indexes of the method can meet the requirement.

Key words:radio frequency receiver;ultra-bandwidth;simulation analysis

收稿日期:2015-12-27

中圖分類號：TN971

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0041-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.011