双波段软件无线电接收机射频前端设计与仿真*

何 彬，谷广宇

(装甲兵工程学院信息工程系，北京 100072)

0 引言

软件无线电，最初起源于美国军方，由于其良好的通用性、兼容性以及升级方便等特点，近年来得到了迅猛的发展与广泛的应用，同时对于其需求也在不断扩大［1］，尤其是在军事通信中。

本文从战术通信对短波、超短波电台通用性和兼容性需求出发，基于软件无线电理论，综合考虑短波、超短波接收机射频前端的各项指标，以通用化、标准化、模块化为目标，研究设计了一种灵敏度高、动态范围大，能跨波段兼容接收短波、超短波无线电接收机的射频前端。

1 系统设计

1.1 射频前端结构设计

射频前端作为软件无线电接收机的重要组成部分，若要使其能够兼容接收不同波段的通信信号，必须能够工作在较宽的频率范围内，并完成低噪声放大、自动功率控制等功能［2］。目前大多数接收机射频前端采用超外差结构，通过一级或两级混频滤波，去除接收信号中的干扰信号并获取足够的增益。这种结构虽然在增益、灵敏度、干扰抑制等方面性能优良，但因为其存在镜频干扰，需要特殊的中频滤波器，使得结构复杂，不易集成，从而增大了接收机的成本与尺寸，与战术通信电台小型化、通用化的趋势不符。为简化设计，节约成本，减小尺寸，提高便携性，本文拟采用直接变频的零中频结构设计软件无线电接收机的射频前端。这种结构采用与载波频率相等的本振，可直接将射频信号经一次变频搬移到基带，不需要为解决镜频干扰问题设计中频滤波器，因此能够大大简化系统、降低成本。其结构如图1所示，信号由天线接收后，经低噪放大(LNA)、电调衰减及自动增益控制电路(AGC)被调节到适当的强度范围内，然后通过滤波及混频，将信号搬移到零中频，通过低通滤波器(LPF)滤出有用信号，最后经自动增益控制电路获取零中频输出信号。

图1 直接变频射频前端结构Fig.1 Direct conversion RF front end structure

直接变频的零中频射频前端结构，在带来结构简单、成本低廉等便利的同时也存在本振泄漏、直流偏移、IQ失调等问题。对于这些问题可采用一些较为成熟的解决方案［3］，以避免对正常通信造成影响。

1.2 射频前端技术指标分析

短波战术通信电台，其接收机性能一般要求达到－104 dBm的灵敏度和大于90 dB的动态范围［4］，超短波电台接收性能一般要求达到－113 dBm的灵敏度和大于120 dB的动态范围［2］。因此，作为兼容接收短波和超短波双波段信号的射频前端，本设计必须要考虑主要接收指标应能够达到甚至优于现行短波和超短波战术电台的基本要求。因此在本设计中，接收机射频前端主要技术指标应达到:工作频率为3～90 MHz;灵敏度不大于－110 dBm;基带输出功率范围－20～－10 dBm;动态范围大于120 dB。其中最关键的设计目标是实现高灵敏度接收和承受大动态范围的信号变化，目标的实现主要通过合理的指标分配和器件选型来实现，至于三阶截点值、带外衰减等性能指标也都受灵敏度与动态范围指标的影响，并与具体器件性能有关，在做方案设计时暂不考虑［5］。

2 技术方案

2.1 信号动态范围计算与分配

射频前端接收信号强度的计算公式为:

式中，Pt(dB)为发射机发射功率，Gt(dB)为发射天线增益，Gr(dB)为接收天线增益，f(MHz)为通信频率，L(km)为通信距离。到达接收端最小的信号强度即为接收机灵敏度－110 dBm，最大信号的强度计算时考虑允许接收的一种极端情况为发射机输出功率20 W，两天线距离1 km，收发天线增益均为3 dB，通信频率取3 MHz，则由式(1)计算得此时信号强度 Pr≈7.03 dBm。

此时接收机输入端信号的动态范围为

在设计过程中，为保证一定余量，将射频前端的动态范围确定为120 dB。

又由上述分析，接收信号最大极端情况下信号强度为7.03 dBm，而零中频信号强度为－20～－10 dBm，此时就要求射频前端需要有至少17 dB的衰减。并由技术指标要求，射频前端灵敏度小于－110 dBm，即可接收最小信号强度为－110 dBm，要满足－20～－10 dBm的输出强度需要有至少90 dB增益。为达到上述指标，本设计采用了两组AGC，分别在射频和基带进行增益控制。第一组位于LNA后，用于防止信号强度过大在后续处理中产生的溢出、失真等影响，采用PIN管电调衰减器与可变增益放大器(VGA)芯片组合的方式获取－30～29 dB的增益范围。第二组AGC位于混频滤波之后，经这组AGC放大后信号完成射频前端处理，作为基带信号输出。由于频率较低，此组可采用两片VGA芯片级联方式获得至少60 dB动态范围，以达到总体120 dB的动态范围。

2.2 接收增益的计算与分配

接收机的增益主要是根据灵敏度和动态范围等技术指标要求所决定。由上述分析所知:双波段接收机射频前端的接收灵敏度应小于－110 dBm，零中频输出功率范围为－20～－10 dBm，取最大－10 dBm计算，得总增益为

图2 射频前端增益分配Fig.2 Gain distribution of RF front end

设计时考虑到链路耗损与冗余量，将总增益确定为110 dB。选择如图1所示的直接变频结构，以有利于接收机灵敏度的提高、有助于接收机抗阻塞和抗干扰能力以及工程上易实现、稳定性好为增益分配原则，同时兼顾动态范围要求，考虑各部分模块具体特点及性能，将射频前端的总增益分配如图2所示。

2.3 噪声系数计算

信号接收高灵敏度实现依赖于整机噪声系数的降低。在此设计中，射频前端是由多个模块级联来实现的，在此情况下，系统的总噪声系数计算公式为:

式中，F1～Fn为从天线后算起各模块的噪声系数，A1～An为对应模块的增益。

由式(4)可知，系统中越靠近天线的模块对总噪声系数的影响越大。因此，LNA作为系统最前部模块，选用噪声系数在3 dB以内低噪声元件，并应具有15 dB以上增益用以抑制后续模块对系统总噪声系数的影响。之后选用的的PIN二极管衰减器也具有3 dB以内的噪声系数，同时选用噪声系数10 dB以内的VGA芯片。这样滤波混频前方电路的噪声系数将在3.8 dB以内，具有40 dB以上的增益，能够有效抑制后续电路噪声系数，使其对总噪声系数影响微乎其微，最终将系统总噪声系数控制在6 dB以内。

式中，B(Hz)为零中频带宽，SNR(dB)为信号解调所需零中频输出信噪比。为满足战术电台常用的调制信号在后续处理要求，需有－110 dB灵敏度及约12 dB零中频输出信噪比［6］。对于窄带接收，零中频带宽为10 kHz。此时有灵敏度

S=－174+10lg10000+6+12=－116 dBm能够满足系统指标要求。

3 主要器件选型及系统的设计与实现

3.1 射频放大模块

射频放大模块位于射频滤波器之前，用以对天线接收到的信号进行预处理，使其能够满足后续模块处理的信号强度。首先因处于系统最前部，根据式(4)要求其噪声系数尽可能小，并且为抑制后续模块对射频前端总噪声系数影响，又要求有一定的增益。另外为避免信号强度过大在后续处理中产生的非线性失真，其增益又不能过大。其次，由于射频前端接收信号的强弱是变化的，因此要求此模块具有足够的线性动态范围。

基于以上考虑，该模块由3部分组成，LNA、PIN二极管电调衰减器以及单片VGA组成。

LNA部分主要为此模块在噪声尽可能小的情况下提供一定增益，抑制后续模块对射频前端总噪声系数影响，根据前文分析计算的指标要求，可采用商业集成的单片放大器。本文选用Mini－Circuits公司的Gali74放大器作为前端低噪放大。

Gali74是一款在射频和中频都具有广泛应用的宽带放大器，适用于从直流到1 GHz频率范围内，具有最大25 dB的增益以及2.7 dB以内的噪声系数，能够满足设计中分析的指标要求。同时该器件具有良好的线性及反向隔离度，还能抑制直接变频结构存在的本振泄漏问题。

PIN二极管构成的电调衰减器以其控制线性度好、适用频段宽、插损小、体积小、成本低、而且是完全阻性线性衰减等特点，常用于各种通用宽带接收机中［7］。在本系统采用PIN二极管结构的电调衰减器，可以有效扩大射频前端的增益动态范围，同时保护后续电路在强信号下免受损坏，避免溢出造成的非线性失真。

目前许多公司都提供了成熟的PIN二极管衰减器应用方案，本设计采用安华高科的HSMP－3816。该器件可工作于0.3～4 GHz，在常规情况下拥有约38 dB的最大衰减量以及3 dB插损，是一个宽带、低插损，由四个PIN二极管构成的π型衰减器，能够满足前文分析所需指标。

VGA芯片具有集成度高、增益可变、线性度高和低噪声等优良特点，它的外围电路简单，可以方便的构成性能优良的AGC电路。使用VGA构成AGC电路，可以实现很大的增益范围，同时给予一定的增益(衰减)，提高接收机射频前端的灵敏度［4］。通过研究与测量，选用 AD603作为AGC电路的VGA芯片。

AD603是美国AD公司推出的一款宽频带、低噪声、低畸变、增益变化范围连续可调的可控增益放大器，其增益由管脚电压控制，按线性规律变化，变化的范围40 dB，且有很高的稳定性。并且根据其反馈网络的不同，AD603可具有3种工作模式:范围－10～30 dB、带宽90 MHz的宽带模式;范围10～50、带宽9 MHz的高增益模式与介于前二者之间范围0～40 dB的中间模式［8］。根据前文对此模块需求、指标的分析，此处AD603应工作在宽频带模式，获取－10～30 dB增益变化范围。设计电路如图3所示，将AD603正参考电平设置为4.5 V，负参考电平设置为AGC端，当AGC端输入4～5 V电平时，信号将获得－10～30 dB增益。

图3 AD603宽频带工作模式电路Fig.3 Broadband mode of AD603

3.2 混频器设计与选型

混频器也是接收机射频前端的重要组成部分，由非线性器件组成，通过将通信信号和本振的频率进行相加或相减运算，实现通信信号的频率搬移。其动态范围、隔离度、变频损耗等对系统动态范围、中频提取、本振隔离、灵敏度等有着非常大的影响。常见的混频器有模拟乘法器混频器、双极性晶体管混频器、场效应管混频器、二极管混频器等类型。本设计中的混频器采用Mini－Circuits公司的ADE－1双平衡混频器，其输入端RF/LO的频率范围为0.5～500 MHz，输出的中频范围可从直流到500 MHz，变频损耗约为5 dB，能够满足设计指标要求。并且该混频器在其频率范围内LO－RF隔离度约55 dB，LO－IF隔离度约40 dB，能够有效减少本振泄漏对系统影响。

3.3 零中频AGC模块

图4 基带AGC电路Fig.4 Baseband AGC circuit

基带AGC模块仍选用AD603芯片实现。根据前文分析，零中频AGC电路至少需达到80 dB增益与70 dB动态范围的指标，而单片 AD603只有40 dB动态范围和最大50 dB增益。因此若要完成上述指标，需采用两片级联的方式。并且由于此时信号已变换至基带，可采用高增益模式，是该模块获得足够的增益。基带AGC电路设计如图4所示，图中两片AD603皆工作于中间模式，设置第一片正参考电平为5.5 V，第二片正参考电平为6.5 V，负参考电平均连接AGC端，当AGC端电平在5～7V间变化时，此模块增益如图5所示。这样基带AGC电路总增益即可达80 dB并具有80 dB动态范围，并且可以与前端放大共用同一AGC电平进行增益控制，简化了控制电路的设计。

图5 基带AGC增益与控制电平关系Fig.5 Relationship between the baseband AGC gain and control level

以此方案设计，该射频前端将具有最大120 dB增益和最大140 dB的动态范围。在接收信号信噪比允许的条件下，可接受最小－135 dBm的信号。

4 测试验证及结果

本设计采用Multisim10软件对电路进行模拟测试与仿真验证。测试在射频前端工作频段选取短波波段、中间波段和超短波波段中具有代表性的低、中、高3 个频率:5 MHz、30 MHz、90 MHz进行。分别在这3个不同载频下输入弱(－110 dB)、中(－15 dB)、强(10 dB)3组调幅信号，信号频率5 kHz，调制深度0.5。同时在输入输出端对信号强度进行仿真测量，以验证该系统在双波段工作频率内，对不同强度信号的接收程度。图6显示了在5 MHz、－110 dB下仿真测量的结果。最终三组测试的结果如表1所示。

图6 5 MHz、－110 dB下仿真测量结果Fig.6 Simulation results at 5 MHz、－110 dB

表1 测试结果Table 1 Simulation results

上述测试数据表明，该射频前端设计方案能够满足设计指标要求

5 结语

本文在软件无线电的理论基础上，从结构出发采用直接变频的零中频结构，设计了一种双波段接收机射频前端。通过软件仿真，验证了该设计能够在输入跨短波、超短波频段的接收频率上，输出稳定的基带信号，并在满足通信所需的各项指标的基础上具备较高的灵敏度与较大的动态范围。

［1］陶玉柱，胡建旺，崔佩璋.软件无线电技术综述［J］.通信技术，2011，44(01):37－39.TAO Yu－zhu，HU Jian－wang，CUI Pei－zhang.An Overview of Software Radio［J］.Communications Technology，2011，44(1):37－39.

［2］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(06):969－973.WANG Yan－jun.Design of RF Front－end for Frequencyhopping Radio Receiver Based on Software Defined Radio［J］.Telecommunication Engineering，2012，06:969－973.

［3］全会阁.直接变频接收机研究与实现［D］.长沙:湖南大学，2007.QUAN Hui－ge.The Research and Implementation on Direct Conversion Receivers［D］.Hunan University，2007.

［4］徐淑军.短波接收机射频前端电路设计与实现［D］.大连:大连海事大学，2011.XU Shu－jun.The Design and Implementation of RF Front－end Circuit in Short－wave receiver［D］.Dalian Maritime University，2011.

［5］刘世刚，葛临东，袁伟.一种短波数字接收机模拟前端设计方案［J］.微计算机信息，2005(22):153－155.LIU Shi－gang，GE Lin－dong，YUAN Wei.Analog Front－End Design of HF Digital Receiver［J］.Microcomputer Information，2005，22:153－155.

［6］高俊.大动态范围模拟与数字中频接收机的研究与实现［D］.成都:电子科技大学，2006.GAO Jun.Study and Realization of Large Dynamic Range of Analog and Digital IF Receiver［D］.University of E-lectronic Science and Technology of China，2006.

［7］钱卫华.高线性大动态范围通用接收机研究与实现［D］.成都:电子科技大学，2003.QIAN Wei－hua.Research and Realization of High Linearity and Large Dynamic Range General Receiver［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2003.

［8］单巍，昂志敏.基于AD603的一种微弱信号宽带放大器设计［J］.淮北煤炭师范学院学报:自然科学版，2009(04):16－19.SHAN Wei，ANG Zhi－min.Design of A Weak Signal Wideband Amplifier based on AD603［J］.Journal of Huaibei Normal University(Natural Science)，2009，04:16－19.