宽动态范围接收机射频前端的设计与仿真

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

近年来，随着数字信号处理器和现场可编程门阵列等数字处理器件的出现及计算机技术的发展，特别是软件无线电技术的提出，使数字中频处理成为现实[1]。接收机前端的主要功能是将接收到的高频信号转化为易于后续处理的低中频信号，而接收机接收到的信号由于“远近效应”，其功率是变化的，因此接收机射频前端的性能指标将直接影响到后续的信号处理。本文根据超外差原理，利用自动增益控制结构设计宽动态范围接收机的射频前端，选用合适的元器件芯片，实现了接收机前端系统宽动态范围、低噪声系数、高灵敏度和中频稳定输出的指标。

1 接收机射频前端的设计指标

灵敏度表征的是在输出信噪比一定的条件下，接收机所能感应到的最小输入信号，它衡量了接收机检测微弱信号的能力，其与系统的噪声系数NF、带宽B、信噪比有如下关系:

而系统噪声系数NF 取决于级联系统中各级元器件的噪声系数:

式中，Fi为各级元件噪声系数、Gi为各级元件增益，n为元件级数。

本文接收机前端设计满足的关键指标如下:工作频段为1.65 1.75 GHz，中频输出频率为105 MHz，中频输出带宽为20 MHz，中频输出功率为0 dBm，灵敏度为-110 dBm，噪声系数(最大增益)＜2.5 dB，动态范围为100 dB，三阶互调抑制＞40 dBc。

2 系统方案设计及可行性分析

接收机前端主要是从众多电波中选出有用信号，并放大到解调器所要求的电平值，将射频信号变为中频信号。本文采用超外差接收机二次混频方案，而超外差接收机由于混频器的非线性，会将进入它的射频频率和本振频率进行高次组合，若组合频率落在中频频带内，就会形成对有用信号的干扰，其中影响最大的是中频干扰和镜像干扰[2]。高中频能使得镜像频率远离有用信号，提高接收机的灵敏度，但同时会降低接收机对相邻信道的抑制能力，所以中频选择考虑的是灵敏度和选择性的折中[3]。主要考虑镜像抑制、中频干扰抑制和寄生干扰抑制等几个方面。利用安捷伦公司的Genesys 软件从频率和幅度两方面对中频进行分析，射频中心频率为1 700 MHz，带宽为100 MHz，第一中频带宽为50 MHz，杂散频率的幅度大于-70 dB，得到第一中频无杂散区域图形如图1所示。

图1 无杂散区域图

图1中阴影部分代表无杂散区域，此处第一中频选择641 700 MHz 频段中的680 MHz。

根据系统噪声系数的级联公式可以看出，接收机的噪声系数与各级元件噪声系数和增益有关，但主要取决于第一级元器件的噪声系数，而且越靠近输入端，对系统的噪声系数影响越大，因此要获得整机的低噪声系数，必须在射频前端接入具有低噪声、高增益的放大器[4]。

此外，由于接收到的信号功率变化范围很大，为了保证接收信号不失真，采用自动增益控制电路，压缩有用信号的变化范围，使系统输出稳定信号[5]。本文采用射频和中频多级AGC 分段控制使输出中频电平稳定:射频段和第一中频采用可变增益放大器，分别可以达到50 dB和45 dB的控制范围，第二中频处采用AGC控制，有30 dB以上的控制范围，这样接收机的动态范围可实现100 dB以上。

综合以上多个因素的考虑，本系统射频前端框图设计如图2所示。

图2 射频前端框图

3 射频前端系统建模与性能仿真

使用安捷伦公司的ADS 软件对接收机射频前端进行建模仿真如图3所示，其中，低噪声放大器采用Hittite 公司的HMC758LP3;射频AGC的VGA 放大器采用HMC972LP5E;一级混频器采用Analog Devices 公司的ADL5801;二级混频器采用ADL5811;一级中频AGC的VGA 放大器采用AD604;二级中频AGC 采用AD605。

图3 接收机射频前端的ADS仿真

对接收机射频前端-60 dBm，1.7 GHz 进行谐波仿真，输入输出信号频谱图如图4所示。

图4 输入、输出信号频谱图

输入等幅双音信号，-10 dBm，1.7 GHz和-10 dBm，1.701 GHz，得到仿真图形如图5所示。

图5 三阶互调仿真图

从图5可知，接收机的三阶互调失真IMD3=m1-m2=44.802 dBc;输入三阶截断点公式TOI =1.5 m1-0.5 m2，可得TOI为22.307 dBm。

对接收机最大增益时的噪声系数和输出功率扫描的链路仿真如图6所示。

图6 噪声系数和功率仿真图

从图6(a)噪声系数仿真图可以看出，当接收机取得最大增益时，系统的噪声系数为1.86 dB，满足预期的噪声系数要求。QPSK 相干解调在误码率为10-4时的信噪比为8.4 dB，根据式(1)可得，接收机的灵敏度为-129.94 dBm，最大动态范围DR=2/3(TOI-Ps)=101.498 dB，两个仿真结果都基本优于指标要求。

从图6(b)输出功率仿真图可以看出，不同功率的输入信号在各级AGC的分段控制下，输出信号的功率都在所设置的功率范围之内，最终中频输出功率也在0 dBm 附近波动，从而验证了本方案中射频AGC和中频AGC的设计参数均满足系统动态范围的要求。

4 结束语

本文对宽动态范围接收机射频前端的体系结构进行了理论研究和分析，并对1.6 1.8 GHz的射频段进行了ADS 建模和仿真。从仿真结果可以看出，在整个仿真频段内，中频输出稳定，噪声系数较低，动态范围宽、灵敏度较高，达到了预期的设计指标，同时实现了系统增益的自动控制，验证说明了本文所设计方案的可行性。

[1]伍越.基于ADS的接收机射频前端的研究与设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012:7-12.

[2]陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社，2007:140-143.

[3]徐建，孙大有.无线接收机RF 前端研究[J].东南大学学报(自然科学版)，2000，30(3):136-141.

[4]刘强，马战刚.Ku波段雷达接收机设计[J].电子科技，2013，26(6):58-60.

[5]苏明.短波接收机前端大范围AGC控制电路的研制[D].武汉:武汉理工大学，2012:19-25.