一種軟件無(wú)線電射頻前端方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

［楊進(jìn)超 王福江 劉恒］

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一種軟件無(wú)線電射頻前端方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

［楊進(jìn)超 王福江 劉恒］

摘要

針對(duì)傳統(tǒng)軟件無(wú)線電射頻前端存在鏡像頻率干擾、通道帶寬窄、使用不靈活等缺點(diǎn)，提出了一種采用微帶線抗混疊濾波器加兩級(jí)混頻架構(gòu)的射頻前端方案，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)及解決措施，并給出了仿真結(jié)果。最后以空中GSM蜂窩網(wǎng)信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電 微帶線濾波器 兩級(jí)混頻 射頻前端

楊進(jìn)超

重慶郵電大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)檐浖o(wú)線電，導(dǎo)航雷達(dá)。

王福江

重慶郵電大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)檐浖o(wú)線電。

劉恒

重慶郵電大學(xué)重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

軟件無(wú)線電是一種以開(kāi)放式體系架構(gòu)為基礎(chǔ)，在通用硬件平臺(tái)上應(yīng)用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有最大靈活性和適應(yīng)性的各種無(wú)線通信方式和功能的系統(tǒng)，其核心技術(shù)是將寬帶A/ D/A盡量靠近天線，并將無(wú)線電通信的各種功能盡可能采用軟件來(lái)進(jìn)行定義[1]。軟件無(wú)線電主要有射頻前端和基帶信號(hào)處理兩部分，近年來(lái)，隨著對(duì)此技術(shù)研究的深入，不同通信制式的基帶處理算法已日趨成熟，而射頻前端卻由于多種技術(shù)難點(diǎn)的限制發(fā)展緩慢，射頻前端技術(shù)的優(yōu)良直接決定著軟件無(wú)線電系統(tǒng)的靈活性和性能[2]?；诖?，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種微帶線抗混疊濾波加二級(jí)混頻架構(gòu)的射頻前端解決方案，可真正實(shí)現(xiàn)軟件定制化，且使用靈活、方便。

1 方案對(duì)比分析

在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中，不同的射頻前端結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著不同的采樣方式，而且也影響其后續(xù)的處理方式和速度。根據(jù)采樣方式的不同，軟件無(wú)線電分為射頻低通、射頻帶通、零中頻和中頻帶通4種采樣方式。以下簡(jiǎn)單介紹這4種方法：

（1）射頻低通采樣結(jié)構(gòu)是指從天線進(jìn)來(lái)的射頻信號(hào)不經(jīng)過(guò)任何混頻，經(jīng)放大后直接進(jìn)入AD進(jìn)行采樣。設(shè)為射頻信號(hào)最高工作頻率，r為寬帶濾波器矩形系數(shù)，根據(jù)Nyqiust采樣定理，采樣速率滿足

針對(duì)100~3000MHz射頻前端信號(hào)而言，即使允許過(guò)渡帶混疊，采樣速率也至少大于6GHz。如此高的采樣率，一般的AD采樣芯片很難滿足。目前TI公司產(chǎn)的寬帶高速AD采樣芯片采樣率最高為3GHz，且還有進(jìn)口限制等問(wèn)題。而且當(dāng)需要采用大動(dòng)態(tài)、多位數(shù)時(shí)，該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)上就更加困難。由此可見(jiàn)，盡管該技術(shù)有著軟件無(wú)線電最理想的電路結(jié)構(gòu)，但如此高的采樣速率，硬件上難以實(shí)現(xiàn)。

（2）射頻帶通采樣是在使用奈奎斯特帶通采樣定理對(duì)射頻前端的信號(hào)進(jìn)行采樣，在AD采樣之前必須要加一高Q值電調(diào)濾波器。這種采樣結(jié)構(gòu)除需要一個(gè)主采樣頻率外，還需M 個(gè)盲區(qū)采樣頻率，而多種采樣頻率無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。另外如此高性能的電調(diào)濾波器，其矩形系數(shù)特性也很難滿足[3]。

（3）零中頻結(jié)構(gòu)也叫直接變頻結(jié)構(gòu)，其原理是產(chǎn)生一個(gè)與射頻同頻的本振信號(hào)，直接與射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，這樣接收機(jī)直接將射頻信號(hào)下變頻至基帶[4]。該技術(shù)可以有效地克制鏡像抑制的問(wèn)題，并且減小了接收機(jī)對(duì)外界的輻射，避免多級(jí)高增益高頻放大器工作時(shí)容易產(chǎn)生的自激現(xiàn)象。雖然零中頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也同時(shí)存在著I/Q失配、直流偏移的問(wèn)題，因此零中頻架構(gòu)并不常用。

（4）中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)即現(xiàn)在普遍使用的超外差結(jié)構(gòu)，其基本原理是將天線耦合接收的射頻信號(hào)通過(guò)小信號(hào)放大和模擬混頻轉(zhuǎn)換為固定頻率的中頻信號(hào)，然后送入AD進(jìn)行采樣。這種直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣的方法大大降低了對(duì)AD采樣芯片高性能的要求，解決了射頻前端信號(hào)處理的難點(diǎn)，因此此種結(jié)構(gòu)得到了普遍應(yīng)用。近年來(lái)出現(xiàn)的多種接收機(jī)也都是基于超外差結(jié)構(gòu)形式，比如2012年，BEEcube公司推出的miniBEE平臺(tái)；2013年智源電子和Lime Microsystems聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Myriad-RF射頻板卡等。因此基于超外差的軟件無(wú)線電射頻前端架構(gòu)依然是今后研究的重點(diǎn)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

超外差結(jié)構(gòu)是目前最成熟的射頻接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多級(jí)頻率轉(zhuǎn)換可減小本振頻率泄漏的影響。但傳統(tǒng)的超外差結(jié)構(gòu)同樣也存在缺陷，最嚴(yán)重的就是鏡像干擾問(wèn)題[5]。為了解決鏡像干擾的難題，常用的解決方案是針對(duì)不同制式的通信標(biāo)準(zhǔn)，在混頻器前加高Q值濾波器，不同頻點(diǎn)的濾波器可以增加接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍并有效抑制帶外干擾，因此超外差結(jié)構(gòu)接收機(jī)在很長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)得到普遍應(yīng)用。然而，該種方式也存在不足，一是高Q值濾波器在工程上難以實(shí)現(xiàn)；二是要實(shí)現(xiàn)每一種制式的通信就必須更換相應(yīng)的濾波器，這完全違背了軟件無(wú)線電在通用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“軟件可定制”的思想。針對(duì)這個(gè)難題，本文提出了微帶線抗混疊加二級(jí)混頻架構(gòu)的超外差式接收機(jī)方案。

2.1 超外差式兩級(jí)混頻架構(gòu)

根據(jù)上小節(jié)對(duì)接收機(jī)射頻前端的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的分析，本文采用微帶線鏡像抑制濾波加兩級(jí)混頻結(jié)構(gòu)作為接收機(jī)射頻前端的解決方案。采用超外差結(jié)構(gòu)作為接收機(jī)射頻前端解決方案鏡像干擾問(wèn)題是關(guān)鍵，本方案接收鏈路結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

圖1 接收鏈路示意圖

由圖1可以看出，射頻信號(hào)經(jīng)天線耦合進(jìn)入接收鏈路，采用一款噪聲系數(shù)較小的低噪聲放大器對(duì)接入的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大。放大后的射頻信號(hào)首先經(jīng)一款微帶線鏡像抑制濾波器進(jìn)行濾波，然后將濾波后的射頻信號(hào)送入一級(jí)混頻器進(jìn)行混頻。一級(jí)混頻器采用的本振頻率與射頻信號(hào)頻率相差較大，從而導(dǎo)致鏡像干擾信號(hào)頻率與有用射頻信號(hào)頻率之間相差更大。如此一來(lái)，系統(tǒng)對(duì)鏡像抑制濾波器的性能要求并不會(huì)很高，采用一款普通濾波器即可以有效地抑制鏡像干擾信號(hào)。

一級(jí)混頻后的射頻信號(hào)頻譜被搬移到某一固定頻點(diǎn)處，采用一款高Q值的窄帶濾波器濾出有用信號(hào)，此濾波器Q值較高，具有很好的選通特性。經(jīng)窄帶濾波器后的有用信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行功率放大，由于放大器正常工作時(shí)會(huì)引入一些不必要的噪聲，經(jīng)放大后的有用信號(hào)需要再一次進(jìn)行窄帶濾波。

經(jīng)過(guò)第二級(jí)窄帶濾波器后的信號(hào)直接進(jìn)入第二級(jí)混頻器，第二級(jí)混頻器將有用信號(hào)下變頻至某一固定中頻。由于第二級(jí)窄帶濾波器的Q值較高，可以有效地抑制第二級(jí)混頻器可能出現(xiàn)的鏡像干擾；二級(jí)混頻后的中頻信號(hào)經(jīng)中頻放大、中頻濾波后直接被送入A/D采樣芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。至此，接收鏈路完成了射頻信號(hào)的接收。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如2所示，信號(hào)分為3個(gè)通路，兩條接收通路，一條發(fā)射通路。整體由五部分組成：控制模塊，接收模塊，發(fā)射模塊，時(shí)鐘模塊，電源模塊。接收模塊主要負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的正確接收?？刂颇K主要用于系統(tǒng)所需的各項(xiàng)控制，包括功率控制、增益控制、頻率控制等。時(shí)鐘模塊作為系統(tǒng)時(shí)鐘源，其主要職責(zé)為產(chǎn)生混頻器所需的本振LO信號(hào)以及AD和DA芯片所需的采樣信號(hào)。時(shí)鐘模塊通過(guò)改變混頻器本振LO的頻率實(shí)現(xiàn)不同射頻信號(hào)的接入。發(fā)射模塊主要負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的發(fā)射，電源模塊為系統(tǒng)提供電源。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及仿真

3.1 超寬帶微帶線濾波器設(shè)計(jì)與仿真

傳統(tǒng)濾波器一般由 LC 搭建而成，而一般的LC 濾波器存在諸多缺點(diǎn)。當(dāng)工作頻率較低時(shí)，需要的電感和電容數(shù)值都很大，使得濾波器體積和質(zhì)量大；當(dāng)工作頻率較高時(shí)，LC 濾波器會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，寄生效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響濾波器性能。本方案采用的微帶線濾波器不但體積小質(zhì)量輕，且不存在寄生效應(yīng)，可以有效地克服 LC 濾波器的缺點(diǎn)[6]。

本方案中采用微帶線濾波器對(duì)天線下來(lái)的100MHz~3GHz信號(hào)進(jìn)行分段接收，100~1800MHz為低通段，1.8~3GHz為帶通段。下面以低通微帶線濾波器為例說(shuō)明設(shè)計(jì)的過(guò)程。

為了滿足1800MHz通帶帶寬指標(biāo)，本方案中的微帶線低通濾波器設(shè)計(jì)為切比雪夫型濾波器。為了保證濾波器輸入輸出端口與50 歐阻抗線匹配，將濾波器源阻抗和負(fù)載阻抗均設(shè)置為50歐，帶內(nèi)波紋設(shè)置為1dB，通帶截止頻率為1800MHz，阻帶截止頻率為2500MHz，阻帶截止頻率以外頻段的衰減為40dB。一般情況下，設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)際測(cè)試性能會(huì)略低于仿真結(jié)果，故在設(shè)置濾波器參數(shù)的時(shí)候盡量將濾波器性能設(shè)計(jì)高一些。

根據(jù)以上參數(shù)得到的LC濾波器如圖3所示，直接對(duì)該LC濾波器仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。由于得到的濾波器是LC濾波器，而LC濾波器在高頻下會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，故需要把LC濾波器轉(zhuǎn)換為微帶線濾波器，本方案采用Richards變換和Kuroda等效實(shí)現(xiàn)濾波器的轉(zhuǎn)換。

圖3 LC濾波器

圖4 LC濾波器仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)變換后得到微帶線濾波器版圖，并對(duì)該版圖進(jìn)行momentum電磁仿真得到仿真結(jié)果如圖5所示。由圖4和圖5對(duì)比可見(jiàn)，該微帶線低通濾波器滿足指標(biāo)要求。

3.2 中頻LC濾波電路設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)接收鏈路總體結(jié)構(gòu)可知，在對(duì)中頻有用信號(hào)進(jìn)行A/D采樣之前，需要對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本文以140MHz中頻濾波為例，說(shuō)明LC濾波電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，并給出仿真結(jié)果。

圖5微帶線濾波器版圖仿真結(jié)果

通過(guò)在ADS中使用濾波器設(shè)計(jì)向?qū)В緸V波器源阻抗和負(fù)載阻抗均設(shè)置為50歐，帶內(nèi)紋波設(shè)置為2dB，通帶低頻截止頻率為110MHz，通帶高頻截止頻率為170MHz，通帶衰減為3dB，阻帶低頻截止頻率為90MHz，阻帶高頻截止頻率為200MHz，阻帶衰減為20dB。根據(jù)以上參數(shù)得到的LC濾波器如圖6所示。

圖6 LC濾波器示意圖

通過(guò)在ADS里進(jìn)行版圖優(yōu)化。并對(duì)該優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真分析，可得結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，該版圖LC中頻濾波器指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

圖7優(yōu)化后的LC濾波器仿真結(jié)果

4 測(cè)試

該射頻前端接收信號(hào)范圍為100~3000MHz，為了驗(yàn)證系統(tǒng)接收鏈路的正確性，本文以GSM蜂窩網(wǎng)為例對(duì)該射頻前端接收鏈路進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試環(huán)境如圖8所示。

圖8測(cè)試環(huán)境

GSM蜂窩網(wǎng)下行信號(hào)頻率范圍為935MHz~960MHz，帶寬為25MHz，中心頻點(diǎn)為947.5MHz，基帶數(shù)據(jù)速率為270.833kbit/s，頻道間隔為200KHz，利用頻譜儀檢測(cè)到空中GSM蜂窩網(wǎng)射頻信號(hào)頻譜。經(jīng)過(guò)一級(jí)混頻和二級(jí)混頻后的頻譜圖分別如圖9和圖10所示，對(duì)比分析可知，一級(jí)混頻和二級(jí)混頻后信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)是保持一致的。

圖9一級(jí)混頻后GSM頻譜圖

圖10二級(jí)混頻后GSM頻譜圖

130MHz頻點(diǎn)處的GSM信號(hào)經(jīng)中頻濾波后進(jìn)入中頻放大器進(jìn)行功率放大，直接對(duì)功率放大后的信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，采樣速率為104MHz。采樣后得到的中頻數(shù)字信號(hào)時(shí)域波形如圖11所示，經(jīng)基帶處理后得到的GSM相關(guān)峰如圖12所示。結(jié)果表明，接收鏈路可以正確接收GSM蜂窩網(wǎng)下行信號(hào)，驗(yàn)證了接收鏈路的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟件無(wú)線電各種射頻前端方案進(jìn)行比對(duì)分析，本文設(shè)計(jì)一種新的射頻前端電路，旨在建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化的軟件無(wú)線電射頻平臺(tái)，并對(duì)其中的關(guān)鍵電路微帶線濾波器和LC中頻濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真與分析，最后通過(guò)對(duì)GSM信號(hào)接收驗(yàn)證，該射頻平臺(tái)滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多模移動(dòng)通信信號(hào)的接收。后期可根據(jù)實(shí)際要求完善該系統(tǒng)。

圖11 GSM信號(hào)時(shí)域波形圖

圖12 GSM相關(guān)峰

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.013

收稿日期：（2015-12-21）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61301126），重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2013jcyjA40041）Foundation Item:The National Nartural Science Foundation of China(No.61301126),The Fundamental and Frontier Research Project of Chongqing(Geant No.cstc2013jcyjA40041)