低頻寬帶直采接收機射頻前端電路設計

張向鋒

【摘要】? ? 低頻寬帶直采接收機在無線電頻譜管理領域具有重要應用，其中射頻前端電路指標對整機設備性能影響顯著。文中介紹了低頻寬帶直采接收機射頻前端電路的設計方法，分析了前端噪聲系數對整機靈敏度的影響，并給出了具體的電路設計思路和方法。最后通過實際電路驗證了該接收機射頻前端的性能，達到了設計指標要求。

【關鍵詞】? ? 寬帶直采接收? ? 射頻前端電路? ? 噪聲系數? ? 靈敏度

寬帶直采接收機應用廣泛，主要應用在無線電頻譜監測和軟件無線電領域，它是頻譜管理部門掌握指定區域內無線電使用情況的基本手段，是為頻率資源管理分配提供電磁環境實測數據的主要方式[1]。

目前，接收機的主要結構分為兩種：一種是采用超外差結構，另一種是采用直采結構，該結構具的優點是輸入信號不經過混頻，前端預選后，利用高性能ADC直接采樣，在數字域進行處理，靈活度高，電路復雜度低等[2]。

一、低頻寬帶直采接收機射頻前端設計方案

作為接收機核心模塊的射頻前端電路一般由頻率預選模塊、預防大模塊、抗混疊濾波模塊、控制電路和電源電路組成。在某低高性能低頻寬帶直采接收機的研制中，綜合考慮整機小型化、靈敏度和線性度的指標要求，射頻前端電路框圖設計如圖1所示。

二、低頻寬帶直采接收機射頻前端電路仿真和電路設計

2.1射頻前端噪聲系數和靈敏度

接收機的對微弱信號的接收能力直接反映在接收接靈敏度這一指標當中，接收的靈敏度與接收機的噪聲系數和處理信噪比等因素相關。在低頻寬帶直采接收機中，噪聲系數直接影響接收機的靈敏度。對于一個有n階器件級聯而成的系統而言，其總的噪聲系數為式（1），其中Fn為第n級的噪聲系數，Gn-1為第n-1級的增益。噪聲系數還可以表示為以dB形式，如式（2）。由式（1）可知，接收機的總噪聲系數由內部各級器件的噪聲系數和增益共同決定，但起主要決定性作用的是前兩級。因此，射頻前端的設計目標是總增益65dB，總的噪聲系數為：10dB，靈敏度在10kHz帶寬內為-108dBm。由圖1可知，前端各級增益和噪聲系數分配如下：第一級放大電路增益10dB，噪聲系數為5dB，第二級放大電路增益位60dB，噪聲系數為11dB。根據各級電路的增益計算可知：前端電路總的理論增益為：G=-1dB+10dB+60dB-1dB=68dB。前端電路總的理論噪聲系數計算為：

通過理論計算可知整個前端電路的噪聲系數為7.33dB。理論上通過該射頻前端設計方案是可以現在目標要求的。根據接收靈敏度和噪聲系數的計算關系如式（3）所示[3]，式3中-174dBm/Hz為接收機的熱噪聲，NF為接收機整體的噪聲系數，BW為系統的帶寬，SNR為后端數字信號處理需要的信噪比（一般為10dB）。

Sin（dbm）= -174dBm/Hz + 7.33dB + 10log（10000） +10dB =-116.67dBm，即在理論上10kHz帶寬能該接收機可接收到的最小信號為-116.67dBm，滿足設計指標的要求。

2.2保護衰減控制及濾波電路設計

保護電路采用TVS二極管進行防護，衰減控制電路由3組Π行衰減電路構成，其衰減量最大可達70dB，由繼電器進行切換控制。主要作用是防止輸入信號過大，而導致第一級放大電路飽和失真。

帶通濾波電路的主要作用是濾除帶外雜散，采用橢圓濾波器結構形式，其具有陡峭的過渡帶，可以較小的階數實現濾波功能。

2.3阻抗變換和第一級及第二級放大電路設計

阻抗變換電路的作用是為了匹配第一級放大電路，從而使信號以最小損耗傳輸到下一級;第一放大電路對輸入信號進行預放，其底噪聲系數使整個鏈路的噪聲都得到很好的抑制，第二級放大電路是將輸入信號放大到ADC采樣的范圍內，設計原理圖如圖2所示。

2.4抗混疊濾波器設計

抗混疊濾波器采用有源濾波橢圓濾波來設計，其主要共功能是將放大后的信號限制在一定帶寬內，同時濾除帶外雜散，以便后續ADC采樣和數字信號處理。抗混疊濾波電路的原理圖如圖3所示。

三、射頻前端實際電路測試

通過對低頻寬帶直采接收機射頻前端電路各部分功能的分析和仿真驗證，在理論上其滿足設計指標，同時制作了實際電路， 采用大增益測量法測試實際電路的噪聲系數。大增益測量主要根據式4來測量，通過頻譜儀測量出整個射頻前端的增益，測出增益后，再測量射頻前端在帶寬BW內的噪聲，通過式（4）可以計算出射頻前端在不同頻點的噪聲系數，測量結果如表1所示。

由表1可知，通過實際電路測試的到的噪聲系數最小為8.48dB，最大為9.17dB，均小于設計目標小于10dB，達到了該低頻寬帶直采接收機的設計目標。

四、結束語

本文通過對低頻寬帶直采接收機射頻前端電路的仿真和實際電路測試，驗證了該方案的可行性，滿足了設計目標的要求，為直采接收機射頻前端的設計提供了一種參考方法，具有一定的實用價值。

參? 考? 文? 獻

[1]朱慶厚.無線電監測與通信偵察[M].北京：人民郵電出版社，2005

[2]Ulrich L.Rohde，Jerry C.Whitaker，Hans Zaahnd著，樓才義，王建濤等譯，楊小牛 審校.通信接收機原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2019.1

[3]Richard Chi-Hsi Li（李緝熙）著，鮑景富，唐宗熙，張彪譯.射頻電路工程設計[M].北京：電子工業出版社，2014.1

[4]Dual，Low Noise，Wideband Variable Gain Amplifiers AD600/AD602 datasheet. Analog Devices，Inc.