用LMS算法消除开关噪声对射频接收机的影响

吴振淇，卜 刚，孔梦华

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 211106)



用LMS算法消除开关噪声对射频接收机的影响

吴振淇，卜 刚，孔梦华

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 211106)

针对DC-DC开关电源在为射频接收机供电时，引入过大的电源纹波噪声干扰问题，提出用LMS算法从基带消除纹波噪声干扰的解决方案。从纹波噪声建模出发，根据ZigBee标准利用Simulink仿真工具，搭建了带电源纹波噪声干扰的射频接收机仿真模型，并利用两级LMS算法调整的自适应滤波器，从基带消除纹波噪声干扰。仿真结果显示，在100 mV以下的纹波电压情况下，带LMS算法噪声消除的射频接收机系统仍能正常工作；超过100 mV后，算法能减小纹波噪声对射频接收机的干扰。

开关噪声；射频接收机；LMS算法

WU Zhenqi, BU Gang, KONG Menghua

(College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106, China)

为实现低功耗的无线通信，希望使用电源转换效率更高的DC-DC开关电源为射频系统供电。开关电源体积小、转换效率高，具有升压、降压和反压功能，但其输出纹波电压大，对于电感型开关电源，还有EMI干扰，这对于噪声敏感的射频系统来说，是主要的限制应用因素。本文针对开关电源噪声的主要来源，对电源纹波噪声进行分析并引入LMS自适应滤波算法对其抑制，并根据ZigBee无线通信标准，使用Simulink搭建了带开关电源噪声干扰的射频接收机仿真模型，通过仿真验证了LMS算法对开关电源纹波噪声消除的贡献，从而为开关电源为射频接收机供电提供理论基础。

1 开关电源纹波噪声干扰原理与建模

开关电源纹波噪声主要来源于5个方面：低频纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声、闭环调节控制引起的纹波噪声。其中与开关频率相同的高频纹波是开关电源纹波噪声的主要来源，是本文纹波噪声建模的重点。对于PWM调制的开关电源纹波噪声而言，其开关频率固定，表现为窄带单频信号。在耦合到射频系统时，开关电源纹波噪声分量通常从电源端耦合到输出端，对于一般射频接收机电路模块，均有一项性能指标为电源抑制比(PSRR)，纹波噪声经过电源抑制比衰减，耦合到输出端，经后级放大，最终叠加在有用信号中并出现在基带输出。

针对开关电源纹波噪声这一窄带单频特性，使用LMS自适应滤波算法在对其滤除将得到较好的效果。LMS自适应滤波算法频域上表现为一个超窄带的带阻滤波器，且中心频率可跟踪开关电源噪声频率。采用LMS自适应滤波算法可在尽可能减小有用信号频谱损失的同时，消除或抑制开关电源纹波噪声，从而提高射频接收机的信噪比和误码率。

2 纹波噪声干扰的ZigBee系统仿真

2.1 纹波噪声干扰的ZigBee系统建模

常见的零中频射频接收机，其射频链路主要由低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、低通滤波器(LPF)和可变增益放大器(VGA)构成，如图1所示。这些器件不会改变开关电源纹波噪声的频率引起频偏，考虑到器件的非线性以及混频器电路，可能产生开关电源纹波噪声的高次谐波分量，频率以基频的倍频呈现，若这些频率仍在系统带宽内，均应被考虑。对于结构和原理更加复杂的锁相环和频率综合器电路，其干扰可能是乘性非线性的干扰，本文暂不考虑。

图1 零中频接收机结构

为验证LMS自适应滤波算法对消除开关电源纹波噪声干扰的射频接收机影响的可行性，本文利用Simulink仿真工具搭建了符合ZigBee (IEEE 802.15.4) 标准的射频接收机测试系统。根据文献[2]实现的ZigBee射频接收机设计，具体模块参数指标分配如表1所示。

表1 ZigBee射频接收机主要模块参数分配

根据图1和表1，用SimRF模块搭建的射频接收部分系统如图2所示。系统噪声使用热噪声模块直接模拟。开关电源纹波噪声使用100 kHz正弦波输入，幅度可调根据不同模块的电源抑制比从输出端耦合添加。

图2 ZigBee系统射频前端整体框图

基带调制部分，随机信号经过扩频、OQPSK调制、升余弦滤波器成型(替代IEEE802.15.4标准的半正弦成型滤波器)，经过模拟理想射频发射机直接上变频并加噪声后衰减为信号功率为-85 dBm的接收信号。基带解调部分，ADC采样信号先经过DC偏置消除和升余弦匹配滤波器处理，再进行LMS自适应滤波器处理，然后通过AGC放大、OQPSK解调后解扩频，最后进行误码比较。ZigBee测试系统的整体框图如图3所示。

图3 ZigBee测试系统的整体框图

2.2 LMS自适应滤波器设计

当处理的干扰噪声以单频信号为主时，自适应噪声消除系统可演变为自适应陷波器系统，如图4所示。该结构相比于正常对输入通道进行自适应FIR滤波的结构，所需的抽头系数更少，结构更简单。针对开关电源纹波噪声频率特性单一的特点，选用自适应陷波器结构的自适应滤波器可较好地满足电源纹波噪声滤除需求的同时，实现代价更小，且其易于级联扩展，通用性强。

根据该结构实现的二级级联LMS自适应陷波器的Simulink结构作为基带LMS算法滤波结构。该级联系统分别针对开关电源纹波噪声的一倍频和二倍频分量，参考信号幅度为1，LMS步长调整为u=0.01。

图4 自适应陷波器结构

2.3 系统仿真与结果分析

根据IEEE802.15.4协议规定，ZigBee接收机系统的PER要求<1%。文献[2]给出PER与BER转化式(1)，其中N为每帧信息所携带的比特数，ZigBee测试帧为22 octs，即N=22×8。

(1)

表2为不同幅度开关电源输出纹波噪声对系统的影响。可看出0 mV时系统达到ZigBee接收标准要求，100 mV时经过自适应滤波处理能达到要求，200 mV可看到自适应滤波能减小误码。仿真在自适应滤波器参数完全相同的情况下进行。

表2 不同幅度纹波噪声对ZigBee系统影响仿真BER结果

图5为电源纹波噪声为0 mV时的自适应滤波处理前后的星座图对比，可看到自适应滤波器会使得接收信号星座图散乱，但影响较小，这是由于信号频谱损失导致的。图6为电源纹波噪声为100 mV时的自适应滤波处理前后的星座图对比，可以看到算法抑制了纹波噪声，提高了接收信号的质量，减小了信号星座图的散乱程度。

图5 电源纹波噪声为0 mV时ZigBee基带信号星座图

图6 电源纹波噪声为100 mV时ZigBee基带信号星座图

3 结束语

本文分析了开关电源纹波噪声的模型与对射频接收机的干扰原理。在此基础上，利用Matlab的Simulink系统仿真工具库，针对ZigBee通信标准，搭建了带电源纹波噪声干扰的射频接收机仿真系统，对比通过自适应滤波与未通过自适应滤波两种情况的误码率和星座图的比较与分析，得出自适应滤波在有电源纹波噪声干扰的情况下确实能有效滤除部分纹波噪声带来的干扰，提升射频接收机系统的通信质量。本文为开关电源应用在射频接收机上提供了一种可能的解决方案，具有良好的应用前景。

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Elimination of the Influence of Switching Noise on RF Receiver by LMS Algorithms

For the application of the RF receiver with DC-DC switch power supply, the LMS algorithm is proposed to eliminate the interference from the base band because of too large power ripple noise. Starting from the ripple noise modeling, according to the ZigBee standard, an RF receiver simulation model with ripple noise interference is built using Simulink. The adaptive filter based on the two stage LMS algorithm is used to eliminate the ripple noise from the baseband. The simulation results show that the RF receiver system with LMS algorithm noise elimination can work normally at ripple voltages less than 100 mV, and that the LMS algorithm can reduce the interference of the ripple noise to the RF receiver at voltages greater than 100 mV.

SMPS ripple noise; RF receiver; LMS algorithms

2015- 12- 11

江苏省自然科学基金资助项目(BK2012792)

吴振淇(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：集成电路设计。孔梦华(1988-)，男，硕士研究生。研究方向：模数混合集成电路设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.003

TN851

A

1007-7820(2016)10-009-04