基于RFTP的射频接收机的设计及链路仿真

葛 勇

GE Yong

（华东师范大学 信息科学技术学院，上海 200241）

0 引言

射频测试平台RFTP是射频领域设计生产的高效平台，用于对射频系统中的模块电路、芯片或机器的测试。本论文基于的平台共由八块主要的电路板构成，分别是PWR（电源板）、CLK（时钟板）、CAI（数字控制板）、ADC（模数变换）、DAC（数模变换）、TX（射频发射板）、RX（射频接收板）和EI(PA)（扩展板/功放板），八块电路板相互联系并进行数据传输，其中每一板单板都可以单独使用，起到信息处理、信号提供或模块测试的作用。

本文重点介绍的是RFTP中射频接收器RX的电路设计和基于Cascade软件的功能仿真。RX的重要指标主要有噪声系数、功率增益和三阶截点。本RX设计的这三个参数分别为：噪声系数设定为1.8dB；功率增益为67.6dB，设计时将其标准设计为70dB，留有2.4dB的设计余量；输出三阶截点OIP3的指标为+38dBm。

1 射频接收机的电路设计

射频接收器RX位于无线通信系统的最前端，其结构和性能直接影响着整个通信系统。射频接收机的主要任务是将发射机发射出的双载波射频信号变换为基带处理部分能处理的基带信号[1～3]。无线射频接收机按结构可分为超外差接收机、镜像抑制接收机、零中频接收机和低中频接收机[1]。本系统中的接收机是改进版的超外差接收机，它可以适用于零中频、低中频和高中频的通信，同时也可以通过旁路绕过RX接收机直接将接收的有用信号送入ADC电路板进行处理。

1.1 RX总体设计

本R X的设计指标为：频率范围800MHz～2620MHz，噪声系数1.8dB，功率增益70dB，动态范围为-125dBm～-45.7dBm，OIP3为+38dBm，Pout-1为15dBm，射频通带信号平坦度3dB，中频带宽内信号平坦度0.5dB。总体框图如图1所示。

图1 RX总体框图

1.2 LNA部分设计

LNA（Low Noise Amplifier）是低噪声放大器的简称，它是RX前端的第一个有源电路。本文设计的低噪声放大器具体框图如图2所示，图中SKY1、SKY2是由指令控制的射频开关，A1、A2是放大器，R1、R2和R3是由电阻组成的衰减网络。

图2 LNA模块设计框图

当不用LNA时（如采用外部LNA），通过指令让SKY开关接通直通通道，对本系统的LNA提供旁路功能，同时断开对LNA模块的电源供应。当采用内部LNA时，接通LNA模块的电源，同时SKY开关通过指令接通LNA支路。

1.3 中频放大器设计

中频放大器IF_AMP（Intermediate Frequency Amplifier）是功率放大器的一种，同时具有选频和放大的功能，即对特定频段的功率放大能力高于其它频段的功率放大能力。

本中频放大器的特点是中心频率固定为215MHz，带宽固定为20MHz。电路框图如下图3所示，电路中，B为巴伦电路，它的目的是把两个差分RF引脚的输出结合为一个单端50Ω的RF信号，BPF1和BPF2为滤波器，A1、A2和A3为放大器，R1和R2为电阻衰减网络，起到匹配的作用。

图3 RX的IF_AMP电路框图

2 RX链路仿真及优化设计

上一节对RX的整体及部分关键电路设计进行了详细介绍，这一节将根据电路设计的模型，利用Cascade链路仿真软件进行仿真。同时，根据链路仿真的结果，对具体的电路设计给出进一步优化设计的可能性分析。

2.1 RX总体链路仿真

由于RX是用于测试平台的，它既可以作为射频接收机来使用，也可以仅仅只作为一个中频放大器，或者也可以直接利用一次变频后的中频信号，同时，其工作模式既可以是零中频（只有一次混频）射频接收机，也可以是高中频（二次混频）射频接收机。下面仅对高中频工作模式下的RX进行链路仿真，仿真结果如图4所示。零中频工作模式下的RX链路仿真与高中频工作模式的相类似。

2.2 优化设计分析

从图4链路仿真的结果可以看出，各指标基本符合设定的RX总体设计指标，特别是噪声系数、功率增益和三阶截点，链路仿真的噪声系数为1.67dB，小于规划的噪声系数指标1.8dB（噪声系数越小越好）；仿真结果的增益为69.99dB，与规划的增益指标70dB几乎相等，说明系统增益能够满足需求；系统的输出三阶截点（Output 3rd Order Intercept）为+36.31dBm，与设计初规划的+38dBm基本接近，说明系统的线性比较好，能够达到放大所需要放大的信号的要求。

图4 高中频接收链路指标仿真结果

由仿真结果看，系统仿真达到了设计规划的各个指标，但是在实际设计中肯定会受到环境及其它一些因素的影响，下面提两点关于进一步优化设计的建议：

1）关于设计中使用的电阻衰减器：设计中为了阻抗匹配，使用了很多的π型电阻匹配网络，这些原本阻值固定不变的电阻会因为使用环境的变化而发生阻值变化，从而引起失配，进一步导致系统的噪声系数或其它设计指标偏离。可以考虑在设计中使用随环境变化而变化的匹配网络，减小失配情况的发生。

2）关于LNA前端加入带通滤波器的考虑：由于本设计是直接将天线接收的射频信号送入到两边有开关切换的LNA中进行低噪声放大处理。但是在实际中，天线接收的射频信号都含有很多杂散的低频信号，所以如果用带通滤波器对接收的信号进行一次初步过滤后再送入LNA中，能够得到更好的信噪比。

3 结论

本文主要介绍射频测试平台RFTP中的射频接收机（RX）的设计，对影响RX的参数进行了设计前的规划，随后对RX整体及部分关键电路进行了详细的设计介绍，从电路框图完全可以画出相应的硬件电路图。最后利用仿真软件Cascade对RX在高中频工作模式下进行了链路的仿真，从链路仿真的结果可以看出，设计的系统完全能够满足使用。

[1] 姜兆国.超宽带射频接收机前端LNA和MIXER的研究和设计[D].天津：天津大学,2009.

[2] 叶荣科.低中频数字接收机的模数转换器的设计[D].天津：天津大学,2009.

[3] 钟绵城,钟升,周煦林.射频接收机中带通采样速率选取研究[J].科学技术与工程,2010,10(29)：7286-7289.

[4] 李宝山,张香泽.915MHz射频收发系统的ADS设计与仿真[J].中国集成电路,2010,8(135)：59-63.

[5] 宫波,李淑华.基于ADS的通信设备低噪声放大器改进设计与仿真[J].电子设计工程,2010,18(2)：121-124.

[6] 南敬昌,梁立明,刘影.基于ADS微波功率放大器设计与仿真[J].计算机仿真,2010,27(5)：327-343.