基于GP2015的GPS射頻前端電路ADS優(yōu)化設(shè)計(jì)*

陰歡歡

0 引言

GPS接收機(jī)是用戶接收GPS信號的主要工具，GPS接收機(jī)射頻前端是GPS接收機(jī)的基礎(chǔ)［1］。整個(gè)GPS接收機(jī)的后續(xù)信號處理的效果取決于射頻前端電路性能的好壞，射頻前端對接收靈敏度具有直接決定作用［2］。因此對GPS接收機(jī)射頻前端展開研究和設(shè)計(jì)，使其滿足后級的需求是具有重要的意義。

GPS射頻前端主要功能是對從GPS接收天線接收到的微弱的GPS信號、進(jìn)行一系列放大、下變頻和濾波等，使中頻輸出滿足后端相關(guān)電路正常工作的需要［3］。電路主要由低噪聲放大器(LNA，Low－Noise Amplifier)、混頻器、濾波器、鎖相環(huán)頻率合成器、中頻放大器等器件組成。

本文從三種典型的射頻前端結(jié)構(gòu)中選擇了較易實(shí)現(xiàn)的超外差結(jié)構(gòu)，并以GP2015為核心，采用多次優(yōu)化濾波，經(jīng)過電路仿真和可行性驗(yàn)證之后，設(shè)計(jì)出了一種射頻前端電路，為GPS接收機(jī)的射頻信號接收提供了一種解決方案，并大大地提高了接收機(jī)的抗干擾能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用“超外差”結(jié)構(gòu)三級混頻設(shè)計(jì)，其電路原理框圖［4］如圖1所示。GPS接收機(jī)天線不僅接收到衛(wèi)星信號同時(shí)也接收到周圍的環(huán)境噪聲，首先將包含噪聲的GPS信號，經(jīng)過前置射頻濾波器，保留GPS信號，濾掉帶外不需要的噪聲信號;其次將濾波以后的GPS信號送入低噪聲放大器進(jìn)行放大，該放大器盡可能地放大信號，同時(shí)引入的噪聲盡可能小，也就是要求噪聲系數(shù)盡可能小。將低噪聲放大器輸出的信號送入三級混頻器，三級混頻器的本振［5］依次為鎖相環(huán)提供1 400 MHz、140 MHz和31．111 MHz的振蕩信號，GPS信號第一級混頻器下混頻的輸出作為第二級混頻器的輸入，第二級混頻器的下混頻的輸出作為第三級混頻的輸入，混頻輸出由外置濾波器進(jìn)行選頻，三級混頻輸出的各級中心頻率依次為175．42 MHz、35．42 MHz和4．309 MHz的信號。鎖相環(huán)的參考時(shí)鐘為本地10 MHz晶振信號。

圖1 射頻前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig．1 Design of RF front－ end structure

1． 1 電路結(jié)構(gòu)的選擇

GPS射頻前端電路有三種典型的結(jié)構(gòu)，分別為:超外差式結(jié)構(gòu)(Super－Heterodyne Architecture)、直接下變頻式結(jié)構(gòu)(Direct－Conversion－Architecture)和低中頻變頻式結(jié)構(gòu)(Low－IF－Architecture)［6］。這三種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面介紹三種射頻前端的結(jié)構(gòu)。

1．1．1 超外差式結(jié)構(gòu)

超外差式射頻前端通過多次下變頻，將射頻頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換到較低的頻點(diǎn)上，此時(shí)只需要低Q值的濾波器即可完成信號選擇。超外差式射頻前端信號選擇性好，可以完成微弱信號在強(qiáng)干擾背景下提取，但每次下變頻會(huì)產(chǎn)生鏡像信號，導(dǎo)致中頻信號惡化，因此每次混頻前要求鏡頻抑制。由于單級鏡頻抑制能力有限，因此常將超外差式射頻前端設(shè)計(jì)成多級混頻滿足鏡頻抑制能力要求。

多級混頻具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)減小高頻有源濾波器的Q值，有利于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2)避免一次混頻的不穩(wěn)定性，將射頻信號變到中頻處理，降低難度。

3)鏡像抑制較一次混頻能力強(qiáng)。

1．1．2 零中頻結(jié)構(gòu)

零中頻結(jié)構(gòu)直接將射頻信號下變頻到基帶［6］，由于鏡像信號也是信號本身，信號的上下邊帶疊加在一起，不可分離;由于上下邊帶不完全一致，需要正交混頻實(shí)現(xiàn)IQ兩路混頻輸出。零中頻接收機(jī)的特點(diǎn)是:

1)要求正交的本振信號達(dá)到對鏡像信號的抑制，需要IQ正交兩路。

2)無需高Q值的射頻或者中頻帶通濾波器，避免了外差式射頻前端的主要缺點(diǎn)。

3)IQ混頻后的所需低通濾波器容易實(shí)現(xiàn)。4)A/D轉(zhuǎn)換器在基帶頻率范圍內(nèi)采樣，要求較低。綜上所述，零中頻射頻外接元件少，功耗低，易于集成，但零中頻結(jié)構(gòu)也帶來了一些新的問題，主要有:

1)直流偏移(DC Offset)

由于混頻器各個(gè)端口有限的通道隔離能力，本振信號會(huì)泄漏到混頻器的射頻輸入口，從而與本振信號進(jìn)行混頻，輸出產(chǎn)生直流分量。由于輸入射頻信號較小，該直流分量就會(huì)掩蓋混頻輸出信號，導(dǎo)致后級無法工作。

2)正交失配(I/Q Mismatch)

混頻器端要求本振信號相位正交，幅度相同，因此正交性能差的相位和幅度會(huì)嚴(yán)重影響基帶信號的數(shù)據(jù)判決，從而增加系統(tǒng)的誤碼率性能，尤其高頻時(shí)更為嚴(yán)重。

1．1．3 低中頻結(jié)構(gòu)

低中頻接收機(jī)與零中頻接收機(jī)類似，通過正交下變頻來完成鏡像信號抑制，將信號下變到較低中頻處。由于不是下變頻到基帶，因此直流失調(diào)就可以大大減小?；祛l器端口不匹配和本振信號的相位非正交性和幅度不平衡性是抑制鏡像信號能力減弱的主要原因，此時(shí)需要加入其他元件來增強(qiáng)抑制。同時(shí)鏡像信號的正頻率分量也出現(xiàn)在低中頻上，與有用信號組成“一對”信號，對應(yīng)頻譜上的一對正負(fù)頻率，因此，還需要在低中頻上消除這個(gè)對稱信號。

綜上所述，可以得出射頻前端結(jié)構(gòu)選擇的基本準(zhǔn)則如下:零中頻和低中頻結(jié)構(gòu)要求的射頻元件少，結(jié)構(gòu)簡單。零中頻結(jié)構(gòu)無需抑制鏡像信號，但存在直流漂移和正交失配問題，適合基帶信號的工作帶寬較寬的情況。低中頻無直流漂移問題，但鏡像抑制能力差受限于I/Q的幅度和相位不匹配。外差式雖然電路復(fù)雜，但是無直流漂移問題，鏡像抑制能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，可以滿足高指標(biāo)的單片集成，因此采用外差式結(jié)構(gòu)是可行的。

1． 2 電路仿真

利用ADS2008軟件工具為該超外差式設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)建模［7］，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)建模Fig．2 System modeling

接收機(jī)的頻帶選擇性仿真如圖3所示。從圖3中可以看出，接收機(jī)在射頻濾波器中心頻率處有37．318 dB的最大增益(LNA的增益減去微波帶通濾波器的插入損耗)。在偏離中心頻率70 MHz處有80 dB左右的衰減。在接收機(jī)射頻前端通帶內(nèi)波動(dòng)不超過0．2 dB。

圖3 頻帶選擇性仿真結(jié)果Fig．3 Frequency selective simulation results

接收機(jī)系統(tǒng)增益仿真結(jié)果如圖4所示。此增益預(yù)算仿真在交流分析中進(jìn)行，通過這個(gè)仿真，可以得出系統(tǒng)總增益在各個(gè)模塊中的分配情況。

圖4 系統(tǒng)增益仿真結(jié)果Fig．4 System gain simulation results

接收機(jī)下變頻輸出如圖5所示。

圖5 下變頻仿真結(jié)果Fig．5 Down － conversion simulation results

圖5展示了通過諧波平衡仿真演示接收機(jī)的下變頻如何將射頻信號的頻譜搬移到低中頻輸出，射頻輸入信號的載頻為1 575．42 MHz被依次搬移到了175．42 MHz、35．42 MHz、4．309 MHz的中頻，并且信號得到了大約136 dB的增益。

1． 3 濾波器設(shè)計(jì)

由于在GPS信號工作頻帶內(nèi)存在移動(dòng)電話信號、電視發(fā)射信號和尋呼機(jī)信號等干擾信號，甚至其它發(fā)射機(jī)的鏡像頻率也存在GPS工作的頻率范圍內(nèi)，因此射頻前端芯片需要多次優(yōu)化濾波，盡可能提高接收機(jī)抗干擾能力，除了接收必要的GPS信號外，盡可能抑制帶外干擾和噪聲能量使系統(tǒng)免受其干擾。舉例來說，僅比GPS載波頻率低數(shù)百兆赫茲的空控雷達(dá)發(fā)出的強(qiáng)脈沖信號就會(huì)給GPS接收機(jī)造成極大干擾，使其無法工作。因此射頻前端的多次濾波，輸出中頻的各頻點(diǎn)進(jìn)行濾波，可以提高接收機(jī)的靈敏度。

1． 4 混頻器設(shè)計(jì)

混頻器在這個(gè)電路作用是實(shí)現(xiàn)頻率變換，也就是射頻信號的下變頻。下變頻轉(zhuǎn)換是通過把GPS信號與頻率合成器產(chǎn)生的正弦信號相混頻完成的。在中心頻率的所有調(diào)制的信號信息都被轉(zhuǎn)移到中頻信號上。第一級射頻信號輸入與鎖相頻率合成器合成的1 400 MHz的本地振蕩信號混頻，輸出經(jīng)外接175．42 MHz濾波器濾波后，得到帶外抑制的175．42 MHz的混頻信號。第二級混頻器將140 MHz的本地振蕩信號與第一級輸出的175．42 MHz的混頻信號進(jìn)行再次混頻得到35．42 MHz的混頻信號，經(jīng)濾波后輸出所需中心頻率為4．309 MHz的中頻信號。

1． 5 鎖相環(huán)頻率合成部分的設(shè)計(jì)

鎖相合成器的參考信號為10 MHz晶振信號，由鎖相環(huán)合成1 400 MHz信號，然后10、45分頻得到140 MHz和31．111 MHz的本振。

由于射頻前端電路中，輸出信號穩(wěn)定與否與混頻器的性能，尤其是鎖相環(huán)頻率合成器的穩(wěn)定度有很大的關(guān)聯(lián)。為了使鎖相環(huán)輸出更加穩(wěn)定，使用溫度補(bǔ)償晶振TCXO。

2 PCB板設(shè)計(jì)

為了降低成本及簡化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用雙層板來完成。信號的中心頻率為1 575．42 MHz，對應(yīng)的波長為0．19 m，與電路元件的尺寸相差不大。射頻信號走線采用微帶線形式，由于頻率比較高，需采用分布式參數(shù)模型，因此，要先對微帶線的阻抗特性進(jìn)行計(jì)算。

2． 1 微帶線的計(jì)算

微帶線是一根帶狀導(dǎo)線，由位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線組成。特性阻抗［8］由其厚度、寬度、微帶線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)共同決定。

本系統(tǒng)電路采用羅杰斯公司的ROGer4350B型高頻板材，它的介電常數(shù)εr=3．48。介質(zhì)厚度H=20 mil，銅箔厚度 T=35 um=1．38 mil。利用 Agilent公司的EDA軟件AppCAD軟件計(jì)算微帶線的寬度，輸入?yún)?shù)即可，可以大大減少設(shè)計(jì)難度和開發(fā)周期。AppCAD簡單易用，計(jì)算簡單快速，適合很多的射頻、微波和無線設(shè)計(jì)應(yīng)用中的工程計(jì)算，是獨(dú)特的射頻設(shè)計(jì)工具軟件。

板材工作頻率1 575．42 MHz，特性阻抗為50Ω，覆銅間距為75毫英寸，微帶線的寬度為49．35毫英寸，如圖6所示。因此電路板中GPS信號的傳輸導(dǎo)線線寬設(shè)定為49．35毫英寸。在此線寬下，射頻信號沒有反射波。

圖6 GPS信號線寬計(jì)算Fig．6 Line width calculation of GPSsignal

3 電路測試

最終的主要電路如圖7所示，主要對信號輸出幅度測試，鏡像抑制測試和GPS L1信號接收測試。測試儀器主要有:ROHDE＆＆SCHWARZ頻譜分析儀和AV1485射頻合成信號發(fā)生器。設(shè)置頻譜儀最大參考電平為10 dBm，RBW和VBW均為100 kHz。

圖7 GP2015主電路設(shè)計(jì)Fig．7 Design of GP2015 main circuit

3． 1 信號輸出幅度測試

給待測板加上電源，將信號發(fā)生器產(chǎn)生的1 575．42 MHz、功率為 －80 dBm信號通過 GPS射頻前端，穩(wěn)定后將GPS抗干擾射頻前端的中頻輸出信號輸入頻譜分析儀，設(shè)置觀察帶寬4 MHz，如圖8所示。

圖8 GPS射頻前端點(diǎn)弦輸入中頻信號輸出Fig．8 GPSRF front－ end points string input frequency signal output

從圖8可知，GPS射頻前端有效地將點(diǎn)弦信號進(jìn)行了下變頻和放大，放大倍數(shù)達(dá)76．7 dB，信號輸出功率達(dá)到－3．3 dBm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于基底噪聲。

3． 2 鏡像抑制能力測試

當(dāng)輸入信號鏡像頻率為1 224．58 MHz、功率為－80 dBm時(shí)，頻譜儀設(shè)置保持不變，中頻信號輸出為圖9所示。

圖9 1 224．58 MHz信號輸入中頻輸出Fig．9 1 224．58 MHz signal input frequency output

從圖8和圖9可知，通過與基底噪聲的比較，GPS射頻前端對鏡像抑制達(dá)到37 dB。并且鏡像信號的中頻輸出與基底噪聲能量相當(dāng)，可知鏡像信號抑制能力強(qiáng)。

3． 3 GPS L1 信號測試

接入 GPS L1天線，頻譜儀觀察帶寬從1～8 MHz，中頻信號輸出為圖10所示。從圖中可知，信號輸出帶寬大于2．048 MHz，阻帶帶寬不超過4．8 MHz，射頻前端有效地將GPS天線接收到的寬帶射頻信號進(jìn)行了放大。

圖10 GPSL1信號輸入中頻輸出Fig．10 GPSL1 input signal to intermediate frequency output

4 結(jié)語

本文為GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)GPS射頻前端，用以接收從天線進(jìn)來的GPS L1衛(wèi)星信號。GPS信號依次經(jīng)過低噪放大、濾波、三級下變頻、中頻放大，最終變?yōu)榭晒┖蠹墧?shù)字信號處理的信號。

根據(jù)測試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了射頻信號的接收及下變頻，且輸出信號幅度達(dá)到－3．3 dBm，鏡像抑制能達(dá)到37 dB，可以直接給下級的信號處理模塊使用。由于處理的為射頻信號，頻率比較高，因此，PCB設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的一步。在PCB的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)注意到以下問題［9］:①地線應(yīng)盡量短且粗，就近接地或直接覆銅，以減小電阻和電感;②射頻信號走線盡量短且直;③電源線盡量遠(yuǎn)離信號線，且每個(gè)模塊的電源都要去耦;④盡量減少過孔數(shù);⑤電感盡量不平行靠在一起，以避免形成“空心變壓器”;⑥阻抗匹配減少信號反射而增加損耗，包括輸入輸出阻抗、傳輸線特性阻抗等。

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