基于RFTP的射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)及鏈路仿真

葛 勇

GE Yong

（華東師范大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200241）

0 引言

射頻測(cè)試平臺(tái)RFTP是射頻領(lǐng)域設(shè)計(jì)生產(chǎn)的高效平臺(tái)，用于對(duì)射頻系統(tǒng)中的模塊電路、芯片或機(jī)器的測(cè)試。本論文基于的平臺(tái)共由八塊主要的電路板構(gòu)成，分別是PWR（電源板）、CLK（時(shí)鐘板）、CAI（數(shù)字控制板）、ADC（模數(shù)變換）、DAC（數(shù)模變換）、TX（射頻發(fā)射板）、RX（射頻接收板）和EI(PA)（擴(kuò)展板/功放板），八塊電路板相互聯(lián)系并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中每一板單板都可以單獨(dú)使用，起到信息處理、信號(hào)提供或模塊測(cè)試的作用。

本文重點(diǎn)介紹的是RFTP中射頻接收器RX的電路設(shè)計(jì)和基于Cascade軟件的功能仿真。RX的重要指標(biāo)主要有噪聲系數(shù)、功率增益和三階截點(diǎn)。本RX設(shè)計(jì)的這三個(gè)參數(shù)分別為：噪聲系數(shù)設(shè)定為1.8dB；功率增益為67.6dB，設(shè)計(jì)時(shí)將其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為70dB，留有2.4dB的設(shè)計(jì)余量；輸出三階截點(diǎn)OIP3的指標(biāo)為+38dBm。

1 射頻接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)

射頻接收器RX位于無線通信系統(tǒng)的最前端，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)。射頻接收機(jī)的主要任務(wù)是將發(fā)射機(jī)發(fā)射出的雙載波射頻信號(hào)變換為基帶處理部分能處理的基帶信號(hào)[1～3]。無線射頻接收機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為超外差接收機(jī)、鏡像抑制接收機(jī)、零中頻接收機(jī)和低中頻接收機(jī)[1]。本系統(tǒng)中的接收機(jī)是改進(jìn)版的超外差接收機(jī)，它可以適用于零中頻、低中頻和高中頻的通信，同時(shí)也可以通過旁路繞過RX接收機(jī)直接將接收的有用信號(hào)送入ADC電路板進(jìn)行處理。

1.1 RX總體設(shè)計(jì)

本R X的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：頻率范圍800MHz～2620MHz，噪聲系數(shù)1.8dB，功率增益70dB，動(dòng)態(tài)范圍為-125dBm～-45.7dBm，OIP3為+38dBm，Pout-1為15dBm，射頻通帶信號(hào)平坦度3dB，中頻帶寬內(nèi)信號(hào)平坦度0.5dB。總體框圖如圖1所示。

圖1 RX總體框圖

1.2 LNA部分設(shè)計(jì)

LNA（Low Noise Amplifier）是低噪聲放大器的簡(jiǎn)稱，它是RX前端的第一個(gè)有源電路。本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器具體框圖如圖2所示，圖中SKY1、SKY2是由指令控制的射頻開關(guān)，A1、A2是放大器，R1、R2和R3是由電阻組成的衰減網(wǎng)絡(luò)。

圖2 LNA模塊設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)不用LNA時(shí)（如采用外部LNA），通過指令讓SKY開關(guān)接通直通通道，對(duì)本系統(tǒng)的LNA提供旁路功能，同時(shí)斷開對(duì)LNA模塊的電源供應(yīng)。當(dāng)采用內(nèi)部LNA時(shí)，接通LNA模塊的電源，同時(shí)SKY開關(guān)通過指令接通LNA支路。

1.3 中頻放大器設(shè)計(jì)

中頻放大器IF_AMP（Intermediate Frequency Amplifier）是功率放大器的一種，同時(shí)具有選頻和放大的功能，即對(duì)特定頻段的功率放大能力高于其它頻段的功率放大能力。

本中頻放大器的特點(diǎn)是中心頻率固定為215MHz，帶寬固定為20MHz。電路框圖如下圖3所示，電路中，B為巴倫電路，它的目的是把兩個(gè)差分RF引腳的輸出結(jié)合為一個(gè)單端50Ω的RF信號(hào)，BPF1和BPF2為濾波器，A1、A2和A3為放大器，R1和R2為電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，起到匹配的作用。

圖3 RX的IF_AMP電路框圖

2 RX鏈路仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

上一節(jié)對(duì)RX的整體及部分關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，這一節(jié)將根據(jù)電路設(shè)計(jì)的模型，利用Cascade鏈路仿真軟件進(jìn)行仿真。同時(shí)，根據(jù)鏈路仿真的結(jié)果，對(duì)具體的電路設(shè)計(jì)給出進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的可能性分析。

2.1 RX總體鏈路仿真

由于RX是用于測(cè)試平臺(tái)的，它既可以作為射頻接收機(jī)來使用，也可以僅僅只作為一個(gè)中頻放大器，或者也可以直接利用一次變頻后的中頻信號(hào)，同時(shí)，其工作模式既可以是零中頻（只有一次混頻）射頻接收機(jī)，也可以是高中頻（二次混頻）射頻接收機(jī)。下面僅對(duì)高中頻工作模式下的RX進(jìn)行鏈路仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。零中頻工作模式下的RX鏈路仿真與高中頻工作模式的相類似。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

從圖4鏈路仿真的結(jié)果可以看出，各指標(biāo)基本符合設(shè)定的RX總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，特別是噪聲系數(shù)、功率增益和三階截點(diǎn)，鏈路仿真的噪聲系數(shù)為1.67dB，小于規(guī)劃的噪聲系數(shù)指標(biāo)1.8dB（噪聲系數(shù)越小越好）；仿真結(jié)果的增益為69.99dB，與規(guī)劃的增益指標(biāo)70dB幾乎相等，說明系統(tǒng)增益能夠滿足需求；系統(tǒng)的輸出三階截點(diǎn)（Output 3rd Order Intercept）為+36.31dBm，與設(shè)計(jì)初規(guī)劃的+38dBm基本接近，說明系統(tǒng)的線性比較好，能夠達(dá)到放大所需要放大的信號(hào)的要求。

圖4 高中頻接收鏈路指標(biāo)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果看，系統(tǒng)仿真達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)劃的各個(gè)指標(biāo)，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中肯定會(huì)受到環(huán)境及其它一些因素的影響，下面提兩點(diǎn)關(guān)于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議：

1）關(guān)于設(shè)計(jì)中使用的電阻衰減器：設(shè)計(jì)中為了阻抗匹配，使用了很多的π型電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，這些原本阻值固定不變的電阻會(huì)因?yàn)槭褂铆h(huán)境的變化而發(fā)生阻值變化，從而引起失配，進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)的噪聲系數(shù)或其它設(shè)計(jì)指標(biāo)偏離?？梢钥紤]在設(shè)計(jì)中使用隨環(huán)境變化而變化的匹配網(wǎng)絡(luò)，減小失配情況的發(fā)生。

2）關(guān)于LNA前端加入帶通濾波器的考慮：由于本設(shè)計(jì)是直接將天線接收的射頻信號(hào)送入到兩邊有開關(guān)切換的LNA中進(jìn)行低噪聲放大處理。但是在實(shí)際中，天線接收的射頻信號(hào)都含有很多雜散的低頻信號(hào)，所以如果用帶通濾波器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行一次初步過濾后再送入LNA中，能夠得到更好的信噪比。

3 結(jié)論

本文主要介紹射頻測(cè)試平臺(tái)RFTP中的射頻接收機(jī)（RX）的設(shè)計(jì)，對(duì)影響RX的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)前的規(guī)劃，隨后對(duì)RX整體及部分關(guān)鍵電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)介紹，從電路框圖完全可以畫出相應(yīng)的硬件電路圖。最后利用仿真軟件Cascade對(duì)RX在高中頻工作模式下進(jìn)行了鏈路的仿真，從鏈路仿真的結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全能夠滿足使用。

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