射频接收电路的改进及综合测试

郑文杰，郝文玲

(焦作大学 机电工程学院，河南 焦作 454000)

1 引言

近年来，随着科学技术的飞速发展，无线通信技术快速融入人们的生活，无线通信系统产品越来越普及，已经成为促动当今经济社会发展的重要因素[1～2]。无线系统由发射和接收两部分组成，接收部分的核心射频接收机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的灵活性和安全性[3～5]，其优良的性能对于保证通信质量尤为重要。因此基于无线通信射频接收机的重要性，对于其设计方案需要进行不断优化很有必要[9]。射频接收的主要作用是从天线接收的众多信号中选出基本频带所需的有用信号并放大[11]。现有的射频接收电路存在模拟灵敏度和数字灵敏度较低，失真度较高，邻道选择性较低，双信号选择性较低，互调抗扰性指标较低，一致性较差等缺点。本文通过改进射频接收机电路的压控振荡器电路、混频器电路和中频放大电路的设计，从而提高系统的稳定性、相位噪声、接收通道增益、灵敏度、选择性及双信号抗扰性等。通过对改进后电路的综合测试可以看出，主要指标获得了满意的结果。

2 射频接收电路的基本模型

射频接收电路模型如图1[6，7]所示。射频接收电路是把天线接收进来的带有调制的射频信号经低噪声放大器(LNA)放大和带通滤波后，送入混频器，混频器将其变频为第一中频信号，经过中频放大、晶体滤波后进入音频解调芯片，在解调芯片内经第二混频器变频为第二中频信号，对第二中频信号经过滤波、限幅放大、调频解调转变为基带信号，把该基带信号的幅度放大后输出给基带控制板。

图1 射频接收机电路模型

带通滤波器主要是滤除衰减镜像频率f-2IF (282.3～286.3MHz)对接收机的干扰；混频器是把射频信号转变为中频信号；中频放大是把中频信号进行放大，以满足相关要求；中频滤波器是滤除中频带外的干扰信号；解调部分是把第一中频信号转变为第二中频，经滤波、放大，解调出基带信号。

通过对实际电路综合测试，可以获得本电路的工作带宽在20 MHz(370～390 MHz)；接收模拟灵敏度≤-118 dBm(调制信号频率1 kHz，频偏3.5 kHz)；接收数字灵敏度≤-118 dBm(传输速率9.6 kbps数字误码率为5×10-2)；接收残余误码率≤1×10-5(在接收数字灵敏度为-100 dBm时)；门限灵敏度优于接收数字灵敏度2 dB；邻道选择性≥60 dB@±25 kHz；双信号选择性≥70 dB@±50 kHz，≥75 dB@±100 kHz，≥80 dB@±1 MHz；互调抗扰性≥70 dB；中频抑制性≥80 dB；像频抑制性≥70 dB；动态范围 ≥100 dB；失真度≤3.0%。

从这些主要技术指标可以看出，电路的模拟灵敏度和数字灵敏度较低，失真度较高，邻道选择性较低，双信号选择性较低，互调抗扰性指标较低，一致性较差，需要对电路改进，提高电路的各项指标，从而改善移动通信中的无线通信质量[8]。

3 电路改进

3.1 压控振荡器电路改进

压控振荡器是接收机的核心部分，它的输出频率范围、输出电平幅度、压控灵敏度及其相位噪声等都对接收机的各个指标起着关键的作用，而这些部分的好与坏又与压控振荡器的结构电路有着非常紧密的关系。鉴于目前接收机存在的问题，对其压控振荡器部分的电路进行了改进，改进后的电路如图2所示。

图2 压控振荡器电路

首先对压控振荡器的供电进行隔离和宽频滤波处理：磁珠FB10把+5 Va电源部分和压控振荡器电路进行隔离，以保证两部分电路不相互干扰；电感L21是一个高Q值的绕线电感，它把直流电源部分和压控振荡器的射频部分进行有效的隔离，保证了压控振荡器的直流供电品质；C85、C86、C87、C89组成了一个组合滤波网络，以10倍频程的方式进行宽带滤波，有效的保证了电源的品质和相关电路的可靠性，对整个电路的强壮性提供支撑。

压控振荡器电路主要由变容二极管D1、D2、D3、D4和振荡管Q4以及相关的电容、电感等振荡元件组成，其中电容C82、C83、C84、C88、C90、C91和电感L20必须使用高Q和高精度元件，只有科学的设计和高品质的元件相结合，才能保证频率源的高稳定性和高相位噪声。

压控振荡器电源部分的前端处理电路如图3所示。这是一个高效的有源滤波电路，能对+5 V直流电源进行高效的单向滤波。由于C210接在三极管Q6的基极，而供电电流经过集电极和发射极通路，所以C210就可以选用小容量的电容，达到容量较大的电容的滤波效果，有效抑制电源文波，并显著减小电容的体积，方便小型化设计。此电路由于滤波效果较好，被广泛用于通信电路设计中。

图3 压控振荡器电源前端滤波电路

对压控振荡器进行改进之后进行了测试，测得主要指标如下：振荡幅度在1～3 dBm；压控灵敏度≤4 MHz/V；相位噪声 ≤-90 dBc/Hz @1 kHz，≤-120 dBc/Hz @10 kHz。可以得出：振荡幅度一致性好、压控灵敏度满足范围要求、相位噪声改善3 dB左右，压控振荡器改进后的调试更加容易、方便，指标更优，接收灵敏度和抗干扰性得到了明显改进。

3.2 混频器电路改进

混频器电路采用的是传统的超外差方式接收电路。无线电信号由天线进来，经过低噪声放大器的放大和滤波处理(RF)送到混频器，同时还有一个本地振荡信号(LO)送到混频器[14]。混频器电路是一个线性的频谱搬移电路，实现的方法就是将两个信号相乘，利用器件的非线性，输出需要的中频信号(IF)，就可以实现这个设计目的。此处使用的是一个无源混频器，有一定的增益损耗，由后级的中频电路进行增益补偿，这个混频器的3个端口RF、LO和IF之间有很好的隔离度，对不同频率的信号可以进行有效的隔离，可以明显提高接收电路的抗干扰性能及指标，三阶互调截止输出功率等对接收板也起着关键作用，为了使接收板的相关指标更合理，性能更优，改进后的电路如图4所示。

图4 混频器内部电路

混频器电路改进后的主要指标如下：混频损耗为6.6 dB；1 dB压缩点是23 dBm；本振和接收信号的隔离度是47 dB；本振和中频信号的隔离度为38 dB；三阶互调截止输出功率是26 dBm。

混频器电路改进后，本振、射频与中频间的隔离性和互调性得到改善，通话的品质和通信距离也得到了明显改善。

3.3 中频放大电路的优化

中频放大电路除了对无线信号增益放大以外，还有一个功能，就是对中频信号进行滤波，这里优选了一款日本大真空公司生产的晶体滤波器(MCF),对调制信号以外的杂散信号、干扰信号、无用杂波等进行过滤、抑制，提高电路的选择性和通用抗干扰性；由于晶体滤波器(MCF)对带内信号进行了很好的通带保护，所以，解调信号的失真度得到了明显的改善，普遍减小0.3%以上。

4 电路综合测试过程

射频接收电路改进后是否满足要求，还需要对电路的指标进行测试[13]。主要指标有模拟灵敏度、数字灵敏度、失真度、邻道选择性、双信号选择性、互调抗扰等参数。通过实际测试，可以获得电路改进后各项指标的变化[12]。

4.1 模拟灵敏度测试

模拟灵敏度的定义：在规定的频率和调制下，使接收机输出端产生标准信纳比的最小输入信号电平。

模拟灵敏度的测试方法：首先设置综合测试仪为RX测试状态，输出相应的载波频率，调制信号为1 kHz，频偏为3.5 kHz的射频信号，带通设为0.3～3 kHz，将带调制的射频信号输入到接收板；其次把接收板的AF_OUT输入到综合测试仪的AF_IN，使音频信号幅度为250～400 mV，信纳比不小于12 dB时的最小射频信号即为模拟灵敏度。

通过综合测试仪测试结果可以看出，新板模拟灵敏度的一致性较好，新板模拟灵敏度比旧板的模拟灵敏度提高了2～4 dB。

4.2 数字灵敏度的测试

数字灵敏度的定义：在规定的频率和调制下，接收机解调输出信号的误码率为5×10-2时的输入信号电平。

数字灵敏度的测试方法：设置综合测试仪为RX测试状态，输出相应的载波频率，外接GMSK调制信号，将外加调制的射频信号输入到接收板，从接收板输出的解调GMSK信号输入到调制盒的接收GMSK，保证传输速率9.6 kbps数字误码率为5×10-2时的最小射频信号。

通过综合测试仪测试结果可以看出，新板数字灵敏度一致性较好；新板数字灵敏度比旧板数字灵敏度提高了2～4 dB。

4.3 失真度测试

失真度的定义：除去基波分量的失真正弦信号的均方根值与全信号的均方根值之比，以百分数表示。这个失真的正弦信号包括谐波分量、电源波动和非谐波分量。

失真度的测试方法：首先设置综合测试仪为RX测试状态，输出相应的载波频率，调制信号为1 kHz，频偏为3.5 kHz的射频信号，射频信号的电平幅度设为-67 dBm，带通设为0.3～3 kHz，将带调制的射频信号输入到接收板；其次把接收板的AF_OUT输入到综合测试仪的AF_IN, 记录失真度的数值。

改板前后失真度对比如图5所示。

图5 改板前后失真度对比图示

从图5可以看出，改板后的失真度整体明显降低，信号质量比较好。

4.4 邻道选择性测试

邻道选择性的定义：采用离散信道间隔条件下，用等于一个离散信道间隔频率值作为无用信号频率偏离值，所测得的邻道信号选择性。

邻道选择性的测试方法如下。

(1)测试三通灵敏度：关闭射频信号源，调节调制盒的基带信号的输出幅度，使综合测试仪获得3.5 kHz的频偏，设定综合测试仪输出频率f0，调节综合测试仪的输出功率使误码仪小于并接近为5×10-2，记录此时的综合测试仪的输出功率，此功率值再回3 dB，即为该频点f0的三通灵敏度。

(2)测试邻道选择性：综合测试仪的输出频率为f0，幅度为三通灵敏值，射频信号源的输出频率为f0±25 kHz(调制信号频率1 kHz，频偏3.5 kHz)。打开射频信号源的RF输出，调节其输出功率，使误码仪小于并接近5×10-2，再将此时射频信号源的输出功率减去该点的三通灵敏度，得出的数值即为接收板在该点的邻道选择抑制比。

通过综合测试仪测试结果可以看出，改板后的邻道选择性各板之间的一致性较好，且指标比改板前都提高了10～13 dB。

4.5 双信号选择性测试

双信号选择性的定义：采用离散信道间隔条件下，用等于几个离散信道间隔频率值作为无用信号频率偏离值，所测得的就是双信号选择性。

双信号选择性测试方法：综合测试仪的输出频率为f0，幅度为三通灵敏值，射频信号源的输出频率为f0±50 kHz、f0±100 kHz 、f0±1000 kHz (调制信号频率1 kHz，频偏3.5 kHz)。打开综合测试仪射频信号源的RF输出，调节其输出功率，使误码仪小于并接近5×10-2，再将此时射频信号源的输出功率减去该点的三能灵敏度，得出的数值即为接收板在该点的双信号选择抑制比。

通过综合测试仪测试结果可以看出，改板后输出频率为±50 kHz、±100 kHz 、±1000 kHz的双信号选择性各板间的一致性较好，双信号选择性比以前的旧板提高了7 dB左右。

4.6 互调抗扰性测试

互调抗扰性是指当接收机接到一个同时受两个音频信号调制的载波时，因非线性产后的非谐波失真，它表示由非线性引起的无用非谐波输出信号分量的电平值与其中之一的有用信号电平值之比。

互调抗扰性测试方法为：综合测试仪的输出频率为f0±200 kHz，幅度为三通灵敏度值，射频信号源的输出频率为f0±400 kHz(不加调制)，使信号源与综合测试仪输出相同的功率，使误码仪的误码率为小于并接近5×10-2，再将此时的射频信号源输出功率减去该点的三通灵敏度值，即可得出接收板的互调抑制比。

改板前后互调抗扰性对比如图6所示。

图6 改版前后互调抗扰性对比图示

从图6改版前后互调抗扰性对比图可以看出，改板后的接收板的互调抗扰性各板间的一致性较好，接收板的互调抗扰性指标提高了4 dB左右。

4.7 通话品质和通信距离测试

经过改进设计的设备性能稳定、一致性好、方便调试。为了进一步测试其最终性能，对照进行语音品质的测试，语音的可懂度提高了2%；对通信范围进行了拉距测试，结果改善明显，远端极限通话距离提高了0.5 km。

5 结论与讨论

随着人们的生活水平不断提高，无线通信技术的应用越来越广泛，而射频接收机会直接影响系统的信号接收性能和系统的结构完整性，需要对系统内部的每一个部分都进行综合设计，使得各部分之间协调工作，以提高信号的传输质量[10]。本次电路改进设计是对接收电路的相关部分进行改进和优化，通过对本地振荡器(LO)的压控振荡器的设计、混频器的设计以及中频放大滤波电路的改进[15]，彻底解决了原有的问题，比如：模拟灵敏度和数字灵敏度较低，失真度较高，邻道选择性、双信号选择性、互调抗扰性指标较低，一致性差，调试难度大等等。通过对电路改进后，提高了电路的相关各项指标。

通过对射频接收机改进电路的实际综合测试，可以得到接收机的主要指标不存在离散现象、一致性较好，改进后接收机整体指标有很大的提高，增强了稳定性和可靠性，改进效果较好。