一种宽带接收机中放单元的设计

2012-12-30高永安

电子器件 2012年4期

曹强，高永安

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018;2.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海200063)

现代宽带网络战术电台与传统的超短波电台的不同之处在于它具有较高的数据传输速率，具有抗干扰、动中通和组网能力。目前国际上宽带网络电台的主要代表有:NTDR(近期数字无线电台)、JTRS(联合战术无线电系统)、FCS-C电台(未来战斗系统-通信)。其中以FCS-C低频段电台为典型代表，主要采用了多载波调制、自适应矢量正交频分复用和基于定向天线的Adhoc多跳网络等技术。本文主要介绍了一种基于超外差二次混频结构的宽带网络电台中放单元的设计方案，当中放单元输入端接收到不同幅度信号时，数字终端系统调整可变增益放大器AD8367的增益使输出的中频功率仍在ADC的可调范围之内。

1 射频前端总体方案制定

二次变频的超外差接收方案把接收到的高频信号变换成固定的中频信号后解调，容易在获得较大的增益的同时保证电路的稳定性。混频后的一中频采用高中频值，以提高镜像频率抗拒比，二中频采用低中频值，便于选择中频滤波器，完成提取有用信道抑制邻道干扰的任务。该方案的工作频段是225 MHz～512 MHz，输出的中频频率是21.4 MHz，电平值范围-10 dBm～0 dBm之间，中频带宽有1.8 MHz和7.2 MHz可选。总体方案框图如图1所示。高放部分的增益是30 dB，噪声系数是5 dB，接收机灵敏度公式是:

接收机系统中频的最大带宽是7.2 MHz，解调器所要求的输出信噪比是12 dB，接收机所能检测的最低输入信号电平经计算可得为-88 dBm。

为了留有足够的裕量，将中放单元的增益设为70 dB

图1 总体方案框图

2 中放单元设计

射频信号频率范围是225 MHz～512 MHz，频率合成器提供的第一本振频率是1 325 MHz～1 612 MHz，混频后输出1 100 MHz的高中频信号。这时镜像信号频率是2 425 MHz～2 712 MHz，已经远离输入信号频率，预选滤波器可以将镜像信号足够衰减。第一中频滤波器的选择性要足够的好，这样就可以充分衰减第二镜像信号1 057.2 MHz和半中频信号1 089.3 MHz，从而减小对后级电路的影响。该方案1 100 MHz带通滤波器的带宽是15 MHz。第二本振的频率是1 078.6 MHz，混频后输出21.4 MHz的中频信号，第二中频值较低，比较容易选择滤波器。自动增益控制电路调整链路的放大增益，使不同接收幅度的信号经过接收链路后，到达ADC的幅度保持平稳。

2.1 中频频率和带宽的选择

第一中频频率和带宽的选择对于接收机性能有很大的影响，混频器是实现频谱变换的非线性电路，非线性特性将信号频率和本振频率变换成中频，但与此同时还产生一些谐波频率和组合频率，用通式表示，可写为

式中，p、q为0、1、2……非负整数，它们分别代表本振频率fl和信号频率fs谐波次数。以高端注入为例，显然只有fl-fs才是有用的中频信号，其它频率分量都可视为对信号的干扰，当上述组合频率分量中某些频率分量等于或接近于中频时将对有用信号形成影响，即

上式包含以下4种情况:

上述能够成立的公式经整理可得:

以高端注入为例，

上述两式整理得到

若已知接收机覆盖频段为Fsmin～Fsmax，能进入射频通道的最低RF频率为Fsmin，一中频上限频率Fimax为fi+0.5Bif，其中Bif为一中频的带宽。令为非负实数，必有p≥n，而q≥(n+1)只要组合频率分量的阶数(p+q)≥(2n+1)远大于9，则可认为一中频中心频率及一中频带宽取值合理，其造成的干扰杂波信号以可忽略不计。

2.2 混频器

该方案使用的混频器是凌特公司的LT5521，它是一种线性度非常高的有源双平衡混频器，具有出众的LO-RF隔离性能，低LO泄露和宽带的输出范围。在250 MHz信号与1.7 GHz本振频率混频输出1.95 GHz的信号时，该混频器有-0.5 dB的转换增益、24.2 dB的输入三阶截断点和12.5 dB的噪声系数。LT5521的输入和输出都是差分形式，在设计中要采用传输线变压器来实现单端信号向双端信号的变换。

2.3 自动增益控制

该方案采用AD公司的AD8367。它是一款可变增益中频放大器，采用X-AMP结构，具有优异的增益控制特性，能提供45 dB范围的增益控制，主信号通道包括一个42.5 dB的固定增益放大器和一个提供0～45 dB衰减量的电压控制可变衰减器，其3 dB增益的截止频率达到500 MHz，在70 MHz的中心频率下，其最大增益达到42.5 dB，最小增益达-2.5 dB。该芯片有Gain Up和Gain Down这2种工作模式，模式选择通过Mode引脚的外加逻辑电平控制，当接高电平时其增益随控制电压的增加而递增:Gain(dB)=50Vgain-5。当Mode接地时增益随电压递减:Gain(dB)=45-50·Vgain，其增益控制因数为19.9 mV/dB，具体特性如图2所示。该方案采用Gain Up模式。AD8367的输入输出特性阻抗为200 Ω，需要在VGA的输入和输出端进行阻抗匹配。该方案采用电阻匹配网络，如图3所示电阻匹配网络产生11.5 dB的插入损耗，但是频带很宽，可以在输出端添加一级中频放大来补偿这个损耗。

图2 AD8367的增益控制特性

图3 AD8367的宽带匹配电路

2.4 滤波器

该方案采用的滤波器是某电子公司生产的RB1100-10-7F介质滤波器，它的技术指标如下:

(1)中心频率:1 100 MHz

(2)3 dB带宽:≥15 MHz

(3)40 dB带宽:≤35 MHz

(4)带内波动≤0.5 dB

(5)中心插损≤8 dB

(6)群延时波动:≤20 ns

21.4 MHz中频带通滤波器技术指标如下:

(1)3 dB带宽:7.2 MHz

(2)插入损耗:1.5 dB

(3)带内波动:≤0.8 dB

(4)阻带抑制:≥70 dB

(5)群延时波动≤100 ns

在宽带通信系统中，如果输入信号经过网络后受到同样的衰减和相位延时，输出端就会恢复原信号波形，否则就会产生波形畸变，群延时对于宽带系统具有重要的意义。

2.5 系统链路仿真

利用ADS2009仿真软件，对方案进行系统仿真，如图4所示。接收机各模块参数均按照厂商生产的器件进行设置。225 MHz，-70 dBm的射频信号经两次变频后输出至中频，为了设计具有大动态范围、宽带可选的中放单元电路，本方案采用增益可变的中频放大器AD8367和数控衰减器，它们有数字终端系统控制。数字终端系统根据射频前端检波电路提供的电压值调节可变中频放大器的增益和衰减器的衰减量，使不同接收功率的信号经过接收链路后，到达ADC的功率保持平衡，选择1.8 MHz或7.2 MHz中频带宽的带通滤波器可以通过开关控制。仿真的中频频谱结果如图5所示。

图4 ADS系统仿真图

3 仿真与实际测试结果

中放单元由DH1718D-4提供5 V和1 V电源电压下测试，两个AV1485射频合成信号发生器分别提供225 MHz，-70 dBm和1 325 MHz，-5 dBm的信号，Agilent E4438信号发生器提供1 078.6 MHz，-5 dBm的信号，频谱仪Agilent E4401B显示输出中频结果，通过开关选择带宽为1.8 MHz或7.2 MHz的带通滤波器通路选择不同的中频带宽。测试结果如图6所示，窄带宽(1.8 M)输出中频电平-6.3 dBm，宽带(7.2 M)输出中频电平-4.3 dBm。由于带宽选择滤波器插损不同导致输出电平起伏，但仍在ADC的最佳可控范围之内