低頻寬帶直采接收機(jī)射頻前端電路設(shè)計(jì)

張向鋒

【摘要】? ? 低頻寬帶直采接收機(jī)在無(wú)線電頻譜管理領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，其中射頻前端電路指標(biāo)對(duì)整機(jī)設(shè)備性能影響顯著。文中介紹了低頻寬帶直采接收機(jī)射頻前端電路的設(shè)計(jì)方法，分析了前端噪聲系數(shù)對(duì)整機(jī)靈敏度的影響，并給出了具體的電路設(shè)計(jì)思路和方法。最后通過(guò)實(shí)際電路驗(yàn)證了該接收機(jī)射頻前端的性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

【關(guān)鍵詞】? ? 寬帶直采接收? ? 射頻前端電路? ? 噪聲系數(shù)? ? 靈敏度

寬帶直采接收機(jī)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用在無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)和軟件無(wú)線電領(lǐng)域，它是頻譜管理部門掌握指定區(qū)域內(nèi)無(wú)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(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的主要方式[1]。

目前，接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)分為兩種：一種是采用超外差結(jié)構(gòu)，另一種是采用直采結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具的優(yōu)點(diǎn)是輸入信號(hào)不經(jīng)過(guò)混頻，前端預(yù)選后，利用高性能ADC直接采樣，在數(shù)字域進(jìn)行處理，靈活度高，電路復(fù)雜度低等[2]。

一、低頻寬帶直采接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)方案

作為接收機(jī)核心模塊的射頻前端電路一般由頻率預(yù)選模塊、預(yù)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(jī)的研制中，綜合考慮整機(jī)小型化、靈敏度和線性度的指標(biāo)要求，射頻前端電路框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

二、低頻寬帶直采接收機(jī)射頻前端電路仿真和電路設(shè)計(jì)

2.1射頻前端噪聲系數(shù)和靈敏度

接收機(jī)的對(duì)微弱信號(hào)的接收能力直接反映在接收接靈敏度這一指標(biāo)當(dāng)中，接收的靈敏度與接收機(jī)的噪聲系數(shù)和處理信噪比等因素相關(guān)。在低頻寬帶直采接收機(jī)中，噪聲系數(shù)直接影響接收機(jī)的靈敏度。對(duì)于一個(gè)有n階器件級(jí)聯(lián)而成的系統(tǒng)而言，其總的噪聲系數(shù)為式（1），其中Fn為第n級(jí)的噪聲系數(shù)，Gn-1為第n-1級(jí)的增益。噪聲系數(shù)還可以表示為以dB形式，如式（2）。由式（1）可知，接收機(jī)的總噪聲系數(shù)由內(nèi)部各級(jí)器件的噪聲系數(shù)和增益共同決定，但起主要決定性作用的是前兩級(jí)。因此，射頻前端的設(shè)計(jì)目標(biāo)是總增益65dB，總的噪聲系數(shù)為：10dB，靈敏度在10kHz帶寬內(nèi)為-108dBm。由圖1可知，前端各級(jí)增益和噪聲系數(shù)分配如下：第一級(jí)放大電路增益10dB，噪聲系數(shù)為5dB，第二級(jí)放大電路增益位60dB，噪聲系數(shù)為11dB。根據(jù)各級(jí)電路的增益計(jì)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(shù)計(jì)算為：

通過(guò)理論計(jì)算可知整個(gè)前端電路的噪聲系數(shù)為7.33dB。理論上通過(guò)該射頻前端設(shè)計(jì)方案是可以現(xiàn)在目標(biāo)要求的。根據(jù)接收靈敏度和噪聲系數(shù)的計(jì)算關(guān)系如式（3）所示[3]，式3中-174dBm/Hz為接收機(jī)的熱噪聲，NF為接收機(jī)整體的噪聲系數(shù)，BW為系統(tǒng)的帶寬，SNR為后端數(shù)字信號(hào)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(jī)可接收到的最小信號(hào)為-116.67dBm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

2.2保護(hù)衰減控制及濾波電路設(shè)計(jì)

保護(hù)電路采用TVS二極管進(jìn)行防護(hù)，衰減控制電路由3組Π行衰減電路構(gòu)成，其衰減量最大可達(dá)70dB，由繼電器進(jìn)行切換控制。主要作用是防止輸入信號(hào)過(guò)大，而導(dǎo)致第一級(jí)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(jié)構(gòu)形式，其具有陡峭的過(guò)渡帶，可以較小的階數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波功能。

2.3阻抗變換和第一級(jí)及第二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

阻抗變換電路的作用是為了匹配第一級(jí)放大電路，從而使信號(hào)以最小損耗傳輸?shù)较乱患?jí);第一放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)放，其底噪聲系數(shù)使整個(gè)鏈路的噪聲都得到很好的抑制，第二級(jí)放大電路是將輸入信號(hào)放大到ADC采樣的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.4抗混疊濾波器設(shè)計(jì)

抗混疊濾波器采用有源濾波橢圓濾波來(lái)設(shè)計(jì)，其主要共功能是將放大后的信號(hào)限制在一定帶寬內(nèi)，同時(shí)濾除帶外雜散，以便后續(xù)ADC采樣和數(shù)字信號(hào)處理?？够殳B濾波電路的原理圖如圖3所示。

三、射頻前端實(shí)際電路測(cè)試

通過(guò)對(duì)低頻寬帶直采接收機(jī)射頻前端電路各部分功能的分析和仿真驗(yàn)證，在理論上其滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)制作了實(shí)際電路， 采用大增益測(cè)量法測(cè)試實(shí)際電路的噪聲系數(shù)。大增益測(cè)量主要根據(jù)式4來(lái)測(cè)量，通過(guò)頻譜儀測(cè)量出整個(gè)射頻前端的增益，測(cè)出增益后，再測(cè)量射頻前端在帶寬BW內(nèi)的噪聲，通過(guò)式（4）可以計(jì)算出射頻前端在不同頻點(diǎn)的噪聲系數(shù)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由表1可知，通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試的到的噪聲系數(shù)最小為8.48dB，最大為9.17dB，均小于設(shè)計(jì)目標(biāo)小于10dB，達(dá)到了該低頻寬帶直采接收機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)低頻寬帶直采接收機(jī)射頻前端電路的仿真和實(shí)際電路測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的可行性，滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，為直采接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)提供了一種參考方法，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]朱慶厚.無(wú)線電監(jiān)測(cè)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(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)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(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.1

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