一种U/V频段宽带超视距接收机的设计与实现

高丽丽,王　蓓

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081；

2.中国人民解放军边防学院，陕西 西安 710108)



一种U/V频段宽带超视距接收机的设计与实现

高丽丽1,王蓓2

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081；

2.中国人民解放军边防学院，陕西 西安 710108)

重点研究了U/V频段(225～800MHz)超视距通信设备中的一种通用性宽带接收机，为了实现宽带接收，接收机采用超外差结构中的二次变频方案，完成了基于电磁兼容性的结构设计和电路研制，并且采用三级AGC级联实现自动增益控制，同时设计了一种高精度电平检测方案和基于此方案的接收信号强度指示器(RSSI)。在完成系统联调测试的基础上，给出了多方面的性能指标测试结果，结果表明，所研制的原理样机满足预期要求。

接收机；二次变频；AGC；RSSI；低噪放；频率合成

0　引言

所谓超视距，是相对于视距而言的，由于地球是圆形的，我们在地球上某一固定点向任一方向看去只能看到有限的距离，如果无线电波的波长很短的话，则电波传播的距离基本和视距相等。但是考虑到地球表面介质的复杂性，电波的实际传输距离超过了视距传播距离，这就是超视距传输。超视距通信通常是利用无线电波的散射作用进行的远距离通信[1]。超视距的接收机的主要要求是大动态范围、高灵敏度、抗干扰能力强等，随着无线接收机技术的飞速发展和工艺水平的提高，这些方面的指标，越来越苛刻，这就需要研发人员在设计中，尽量去优化接收机的这些性能，使其适应范围更广，接收能力更强。

接收机用于整个通信系统的接收前端，处理的信号是频率较高、电平波动很大、相对微弱并且有很多干扰的信号，它的工作能力可以对整个系统造成很大的影响，接收机电路的设计好坏直接会影响接收信号质量好坏，如何合理地规划电路、选择器件等射频电路的研制工作，一直是研究的难点，再加上硬件电路性能受影响因素很多，变数比较大，所以，对于接收机的研究，研发人员的经验也是非常重要的[2-3]。

1　总体设计

本文开展了对U/V频段宽带超视距接收机的设计和研究工作，主要特点是工作频带宽、动态范围大、低噪声、具有高精度接收电平指示功能以及电路集成化。

对系统各电路单元的技术实现进行深入分析，并依据任务指标对各功能单元的实现方法进行论证，最终确定电路实现方法，整个接收机的总体方案框图如图1所示。

图1　总体方案框图225～800 MHz的射频信号

从天线口接收下来以后，首先经过外部的预选滤波器滤波，滤除一部分接收进来的各种干扰信号，然后经过限幅器，限定输出功率在某一电平，经限幅器出来的信号进入低噪声放大器进行低噪声放大，放大后的信号进行镜频抑制滤波后进入变频器进行两次变频，得到中频信号21.4 MHz；中频信号分为三路输出，一路直接输出，一路经AGC后输出给后续的解调电路，一路进入RSSI进行接收电平指示检测。

1.1接收通道的设计与实现

接收信号通道的原理框图如图2所示，其主要组成部分为低噪放、混频器、滤波器、放大器及π型匹配网络。

图2　接收信号通道的原理框图

中频输出信号为21.4MHz，射频进来的信号是225～800MHz，电路设计采用二次变频方案。如果采用一次变频，本振信号为246.4～821.4MHz，镜频信号为267.8～842.8MHz，其中267.8～800MHz这段频率是和有用信号是重复的，镜频信号无法采用滤波器简单滤除，另外，本振信号为246.4～821.4MHz，这个频段包含了246.4MHz的三个倍频程的频率，频率综合器也不太好选择。若采取抑镜混频方案，镜频抑制度非常小，只有十几个dBc，镜频抑制不能满足指标。而采用二次变频，对于一本振二本振的频率选择，我们应该避免组合干扰落入有用信号频带内，还要考虑一中频的滤波器是否好实现，选择一中频为1600MHz，那么一本振为1 825～2 400MHz，镜频为3 425～4 000MHz，镜频离射频输入信号的频段很远，所以采用LC滤波电路就可以轻松达到镜频抑制指标，电路设计简单可行。采用二次变频还可以防自激。对同一频点的放大增益最好不要超过60 dB，否则出现自激，反复放大，容易引起自激。二次变频完全可以实现指标要求，没必要采用三次变频，增加电路的成本和复杂度。

在射频信号(225～800MHz)进入接收信道之前[4-6]，它先经过了外接选频滤波器和限幅器[7,8]，然后射频信号进入低噪放进行低噪声放大，之后进入抑镜滤波器，对镜频信号进行抑制，射频信号经过一级小幅度放大，然后进入混频器，与一本振信号进行一次混频，变为1600MHz的高中频信号。在高中频通道上，带通滤波器对带外干扰信号进行滤除，信号在高中频进行比较大幅度放大，为了防止大信号导致器件饱和和信号失真，在高中频通道安排一数控衰减器，可实现31dB衰减，信号进入混频器进行第二次混频，得到21.4MHz的中频信号。

中频信号经过滤波、放大输出后分[9]为三路供后续电路使用，所有的混频器、滤波器、放大器之间均有π型匹配网络。

1.2AGC电路设计与实现

为了保证大的动态范围[10-11]，本设计所采用的AGC由两级AD8367和一级AD8368三级级联实现，第一级工作于VGA方式，第二级和第三级都是AGC方式，当输入信号发生变化时，信号强度经第二级AD8367平方律检波后，反馈到前两级可变增益控制部分，自动完成增益控制，实现AGC功能，第三级AD8368独立工作，应用于AGC模式。

AD8367是一款性价比高，电压可控增益放大器，如图3所示。它使用X-AMP结构，具有良好的增益控制特性。该器件带有可控制线性增益的高性能45 dB可变增益放大器，并可在任意低频到500MHz的频率范围内稳定工作。输入阻抗为200Ω，输出阻抗50Ω；3dB带宽为500MHz；输入端零电平时，输出电平为电源电压的一半，且可调；具有增益控制特性选择和功耗关断控制功能；片上集成有律方根检波器，实现单片AGC应用；增益控制特性以dB成线性；可通过外部电容将工作频率扩展到任意低频。AD8367的功能框图如图3所示。

图3　AD8367的功能框图

1.3RSSI的设计与实现

本设计采用对数检波放大器加轨到轨运放并结合窄带滤波的形式来对信号进行检波，采用+5V供电，简单、通用。RSSI电路由AD公司的AD8310和一级AD8042级联实现。AD8310的管脚配置如图4。

图4　AD8310管脚配置

信号首先经过一级窄带滤波器截取带宽为3kHz窄带信号能量，所以为了精确检波，滤波器带宽越窄越好，在21.4MHz频点，带宽最窄可以做到3kHz，经过一级滤波后的窄带信号经过放大和二次窄带滤波后，进入检波器AD8310和射随器AD8042电路进行检波，最后输出检波电压。

本文选用的检波器为AD公司出品的AD8310。它是一个覆盖DC～440MHz，动态范围高达95dB的对数放大器，其检波增益为24mV/dB。

输出电压可以通过下式进行计算：

(1)

VOUT是检波电压输出；VSLOPE是对数斜率，单位是V/dB；PIN是输入信号电平值，单位是dBm或dBV均可；P0是对数截取值，校准后为-108dBV(-95dBm)。

2　测试结果与分析

整机测试指标包括增益、镜频抑制、相位噪声、动态范围、噪声系数及接收电平指示测试等。

经过测试得知：

接收机增益：60.3 dB 满足60 dB±1dB

镜频抑制：60.8 dBc 满足≥60 dBc

动态范围：40 dB 满足40 dB±1dB

噪声系数：1.5 dB 满足≤2 dB

RSSI接收电平指示测试结果如表1所示，接收机的输出电平值，相邻之间间隔为0.24V左右。

表1　RSSI接收电平指示测试结果

在电路单元调试完成后，对接收机整机进行联调、测试，接收机整机的各项功能和指标均满足设计要求，实现了大动态、低噪声、自动增益控制、接收电平指示及控制电路为一体的接收机的设计。

3　结束语

针对宽频带需求，确定接收机采用二次变频形式的超外差方案实现，先将输入信号上变频至高中频频段，再下变频至需要的中频频段。针对大动态范围需求，确定接收机的AGC采用三级级联的方式实现，放置在中频频段，实现了AGC功能。本文还实现了接收电平指示的功能要求，并且集成了基于FPGA的控制电路。遵循以上的设计思路，经过合适的指标分配、器件选择、电路设计，最终得到了符合设计要求的接收机，这对今后研制其他频段的接收机有一定的参考意义。

[1]赵岩.无线超视距通信系统迭代同步算法研究[D].北京：北京邮电大学，2013.

[2]高丽丽.U/V频段宽带超视距接收机的研制[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[3]刘丽哲.新型散射信道测试机的设计与实现[J].无线电工程，2012，42(11)：48-50.

[4]陈邦媛.射频通信电路(第2版)[M].北京：科学出版社，2006.

[5]肖志敏.2-30 MHz短波电台接收机射频前端研制[D].成都：电子科技大学，2004.

[6]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.

[7]顾晓春，李苏萍，沈颖娣.宽带微波限幅器模块的研究[J].电子工程师，2000(12)：47-48.

[8]钟福如，梁斌.宽带大功率限幅器小型化研究[J].电子元件与材料，2007，26(7)：66-68.

[9]刘振海.TD-LTE射频功率放大器的设计[J].移动通信，2015，39(22)：59-63.

[10]李建强.大动态宽带接收机的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[11]张志刚.90 dB大动态范围可控AGC系统及其在雷达远程测量平台中的应用[D].上海：上海交通大学，2009.

Design and Implementation on a Beyond-line-of-sight U/V Broadband Receiver

GAO Li-li1,WANG Bei2

(1.Hebei Branch Company，Zhonghua Communication System Co.Ltd,Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2.Border Defence Academy of PLA, Xi’an Shaanxi 710108,China)

This paper studies a universal broadband receiver for the beyond-line-of-sightU/V (225～800MHz) communication.A super heterodyne structure with dual-frequency conversion is used in the receiver to realize wideband receiving.This paper involves structure design based on electromagnetic-compatibility and the circuit manufacture.A three-stage cascaded AGC scheme is employed to realize the automatic gain controlling，A scheme of signal strength detection with high precision and a received signal strength indicator (RSSI) based on the scheme is designed and implemented.After debugging and testing the system，this paper gives a lot of test results for various performances and specifications.The results show that the successfully developed prototype can meet the expected requirements.

receiver；dual-conversion；AGC；LNA；frequency synthesis

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.21

引用格式:高丽丽，王蓓.一种U/V频段宽带超视距接收机的设计与实现 [J].无线电通信技术,2016,42(5):85-87，91.

2016-06-26

国家部委基金资助项目

高丽丽(1984—)，女，工程师，硕士，研究方向：电磁场与微波技术。王蓓(1981—)，女，讲师，硕士，主要研究方向：信息系统。

TN851

A

1003-3114(2016)05-85-3