直扩接收机射频前端的设计与仿真

王乐朋，张福洪，易志强

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

随着数字信号处理技术的发展，A/D的采样速率越来越高，数字处理越来越靠近射频前端，采样频率已从基带进入到了较高的频率，系统可以从中频直接采样，进行信号处理［1］。由于传输路径上的损耗和多径效应，接收机接收的信号是微弱的且伴随着许多干扰，因此接收机的主要指标是灵敏度和选择性。动态范围是接收系统设计中的另外一个关键性指标，表示为接收机在检测噪声基值上的弱信号和处理无失真的最大信号的能力［2］。而高灵敏度和大动态范围是一对矛盾。本文根据超外差原理设计直扩接收机射频前端，选用合适的元器件芯片。设计了一种具有灵敏度高，动态范围大，噪声系数低的特点。

1 接收机射频前端的设计指标

灵敏度是指接收机在满足一定输出信噪比条件下所能检测的最小功率电平。灵敏度越高，则其能接收的最小信号功率就越低。设接收机可检测到的最小功率电平为Pmin，则［3］:

式中，NF为系统的噪声系数，B为接收机带宽。可见灵敏度取决于接收机的噪声系数和所要求的输出信噪比。而接收机的噪声系数取决于各级元器件的噪声系数:

式中，Fi为各级噪声系数，Gi为各级的增益。

无杂散动态范围(Spur-Free Dynamic Range，SFDR)又称为瞬态动态范围，主要描述了接收机在存在强干扰信号的情况下，对弱有用信号的处理能力，是接收机常用的一个技术指标。其定义为:在系统输入端外加等幅双音信号的情况下，接收机输入信号从超过噪声门限3dB处到没有产生三阶互调杂散响应处之间的功率范围:

本系统主要需满足的关键指标如下:

(1)工作频段2.4 －2.6GHz;

(2)接收机灵敏度－120dBm;

(3)接收机噪声系数≤3dB;

(4)SFDR≥60dB。

2 方案设计与分析

一般来说，接收机的变频方案主要包括超外差接收机方案、直接下变频方案和数字中频方案。它们有各自的优缺点，超外差接收机技术比较成熟，选择合适的频率方案，干扰也比较少，中频解调也很容易［3］。本系统选用超外差接收方案。

在超外差接收机中，通过一级或多级混频实现频率搬移。输入频率和本振频率的关系:

由式4可知，对于一次谐波混频，一个确定的本振和中频频率，总存在两个输入频率满足混频要求，另一个不是所需要的接收频率，即“镜像干扰”［4］。要消除镜像干扰可以通过变频器前面的滤波器滤除。

本系统选取第二中频为105MHz，选取第一中频为500MHz。此方案拉大了射频输入信号与第一中频的距离，减小镜像频率的干扰，改善输出中频信号的信噪比，并降低了对第一级滤波器的带宽要求。

采用二次变频，可以用高中频来滤除镜像，用低中频来滤除镜像和抑制邻信道干扰。可以解决中频选择的“灵敏度”和“选择性”的矛盾。在系统有高的选择性的条件下也可以实现高灵敏度。

另外，变频器的噪声系数一般很大，在10dB左右。根据级联噪声系数公式，变频器前面需要一个噪声系数小，增益高的器件，来降低变频器的噪声系数对系统的噪声系数的影响。本方案选择低噪声放大器［5］。而越靠近信号输入端，对系统的噪声系数影响越大，因此将低噪声放大器放置在第一级滤波器之后，第一级混频器之前。

为了得到大的无杂散动态范围，需要采用大动态，即拥有高三阶截点和高1－dB压缩增益的混频器和中频放大器。特别是最后一级放大器的动态范围，对整机的无杂散动态范围的影响最大。

综合以上多个因素的考虑，最终本系统射频前端框图设计如图1所示。

图1 直扩接收机射频前端框图

3 接收机射频前端系统仿真

使用Agilent公司的ADS仿真软件对接收机射频前端进行谐波及链路的仿真，如图2所示。其中低噪放选用mini－circuits公司的SAV－541，一级混频器选用ADL5801，二级混频器选用CSM2－17，一级中频放大器选用MGA－30889，二级中频放大器选用ADL5535。

图2 接收机射频前端ADS仿真

对电路进行链路仿真，得到各级噪声系数和整机噪声系数如图3所示:

图3 系统链路仿真的噪声系数和增益

图3(a)中，信号经过第一级滤波器时，噪声系数为1dB，经过低噪放时为1.62dB，经过第一级混频器时，为2.6dB。之后就基本不再增加。图3(b)表示各级元件的噪声系数，横坐标为元件序号，从0号一级滤波器开始，依次排列。由链路仿真得系统级联的噪声系数为2.7dB，满足系统的噪声系数要求。而解扩解调所需要的最小信噪比为－22dB。根据式1计算可得，接收机的灵敏度为－120.3dBm，满足系统的要求。

对电路进行谐波仿真，得信号的输入输出频谱如图4所示:

图4 输入、输出信号

输入等幅双音信号，频率分别为2.4 995GHz和2.5 005GHz，功率为－40dBm。由图4可知，接收机有较好的带外抑制。如图5所示，该接收机前端的三阶互调失真IMD3=m1－m2=86dBc。三阶截断点TOI=1.5m1－0.5m2=39.74dBm。由式3可得系统SDFR为65.3dB。符合指标要求。

图5 三阶互调仿真图

4 结束语

本文分析了2.4－2.6GHz直扩接收机射频前端的设计方法。结合开始提出的系统指标，采用二次变频超外差结构实现了高灵敏度和大的无杂散动态范围的接收机设计。运用所选择的芯片参数，利用ADS进行仿真分析，仿真结果基本满足预设指标，本方案设计合理。

［1］ 王燕君.软件无线电跳频电台接收机射频前端设计［J］.电讯技术，2012，52(6):969－973.

［2］ 马景民.S波段高性能宽带信道接收机前端系统的研制［D］.成都:电子科技大学，2007.

［3］ 陈邦媛.射频通信电路［M］.北京:科学出版社，2007:139－153.

［4］ 梁强.射频频谱分析仪的设计研究［D］.合肥:合肥工业大学，2006:11－13.

［5］ 潘振翮.一种灵活的导航接收机前端电路设计［J］.微计算机信息，2008，24(3):273－275.