寬帶多路前端接收電路設(shè)計(jì)

1、寬帶多路前端接收電路設(shè)計(jì)摘要：隨著短波通信技術(shù)的，傳統(tǒng)以硬件劃分信道為主的短 波寬帶接收模式無法實(shí)時(shí)處理大量寬帶信息，因而無法滿足日 益增長的應(yīng)用需求。 短波寬帶多路接收技術(shù)提供了目前短波快 速選頻建鏈、短波信號快速捕獲監(jiān)測等“熱門 應(yīng)用的解決方 案。文章運(yùn)用短波寬帶多路接收技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于短波通信的寬帶多路前端接收電路，明確了前端接收電路概要框圖、 射頻信道和射頻本振鎖相環(huán)電路組成等，同時(shí)討論了設(shè)計(jì)中需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案。J 關(guān)鍵詞 : 短波通信；短波寬帶接；多相濾波J短波通信寬帶多路接收技術(shù)是當(dāng)前理論和工程的一個(gè)重要研究內(nèi)容。涉及快速ADC 變換、多速率變頻處理、多相濾 波、快

2、速信息檢測等諸多關(guān)鍵技術(shù)需研究和克服。但因短波寬 帶接收模式可同時(shí)接收處理多路信號、降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、提 高復(fù)雜信號處理能力等優(yōu)勢，因此采用寬帶接收機(jī)作為短波信號前端逐步成為短波通信的主要方向。本文設(shè)計(jì)的一種基于短波 通信的寬帶多路前端接收電路，綜合考慮了前端非線性、多相 濾波、低噪聲放大、自動(dòng)增益控制、帶外干擾濾除、高靈敏度 等指標(biāo)的綜合權(quán)衡，是短波寬帶接收機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)的“第一道” 關(guān)口，對提高短波寬帶接收性能具有重要意義。1設(shè)計(jì)方案J由射頻信道、 射頻本振、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 、處理與控制 FPGA芯片、電源、時(shí)鐘等組成。射頻信道與射頻本振將接收 到的射頻信號轉(zhuǎn)換為 A DC 可以處理的

3、中頻信號，并實(shí)現(xiàn)信道增 益的自動(dòng)控制(AGC)o FPGA 通過計(jì)算 ADC 送來的數(shù)據(jù)發(fā)送信道控制命令，并與信號處理單元實(shí)現(xiàn)命令與數(shù)據(jù)的通信. 時(shí)鐘部 分除了為射頻本振與FPGA 提供參考時(shí)鐘外， 還提供一路基 準(zhǔn)時(shí)鐘信號送至其它模塊作為工作基準(zhǔn)時(shí)鐘 1 射頻信道包括保護(hù)電路、天線衰減電路、射頻濾波、高線性混頻、 兩種帶寬中頻濾波、中頻放大、AGC控制電路和功率分配電路。保護(hù)電 路由氣體放電管與鉗位二級管組成，在受到雷擊等 強(qiáng)干擾時(shí)保護(hù)后級電路不被損壞；天線衰減電路由10dB、20 dB兩級衰減網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)而 成，實(shí)現(xiàn)最大30d B 的信號衰減，用微型繼電器切換控制；第一級射頻濾波采用九階橢圓低

4、通級聯(lián)和 五階切比雪夫低通濾波器，濾除 帶外干擾 ; 為提升系統(tǒng)的靈敏度 指標(biāo)，射頻部分配置了一款高線性平衡低噪聲放大器，增益9dB,噪聲系數(shù)1.5dB,輸出IP3為4 0 dBm;高性能混頻器實(shí)現(xiàn)前端輸入的射頻信號與射頻本振送來的本振信號相混頻，得到 高中頻信號，采用四個(gè) SFET構(gòu)成環(huán)形混頻器，非線性 指標(biāo)優(yōu) 異，輸出 IP3 在 35dBm 以上 ; 在混頻器的前端加入一個(gè)五階切比 雪夫低通濾波器， 以補(bǔ)償橢圓濾波器對高頻抑制的不足， 可獲 得 較高的鏡像和中頻抑制；為了改善中頻信號的信噪比，在中頻 濾波 器之前配置了一款單邊低噪聲放大器，增益 6 dB,噪聲系數(shù)lo 6 dB, 輸出

5、IP3 為 3 8dBm, 同時(shí)具有較高的二階性能 ; 中 頻濾波器用于將所 需的信號從寬帶頻譜中選擇出來，濾除無用的干擾，分兩級配置：一個(gè)置于第一級中頻放大器之前，對混 頻器的輸出進(jìn)行預(yù)濾波，降 低對放大器的要求，提升系統(tǒng)三階 指標(biāo) ; 另一個(gè)濾波器置于第一級中 頻放大器 Z 后，利用良好的矩形 系數(shù)實(shí)現(xiàn)對帶外無用信號的抑制，兩個(gè)濾波器疊加后的響應(yīng)應(yīng)滿足射頻信道的頻率響應(yīng)平坦度要求；中 頻放大器用于將濾波器選出的信號放大到數(shù)字信號處理單元所需的電平，共有四級放大電路：第一級、二級、四級放大器型號相同，噪聲系數(shù)3. 5dB,增益16dB,第高增益放大器采用可配置增益放大器，以方便生產(chǎn)調(diào)試; 自

6、動(dòng)增益控制電路由兩級可控?cái)?shù)字衰減器組成，每級實(shí)現(xiàn) 3 1 dB 的衰減量， ldB 的衰減步進(jìn)， 共實(shí)現(xiàn)最大62dB 的衰減，可與天線衰減器一起共實(shí)現(xiàn)超過9 0 dB 的控制 量；功率分配電路將中頻信號分為兩路，一路送給本單元的 ADC, 一路送往數(shù)字信號處理單元。j 1 o 2 射頻本振射頻本振鎖相環(huán)電路框圖如圖 3 所示，由參考鎖相環(huán)與 本振鎖相環(huán)組成。標(biāo)頻采用 8 1. 92M 恒溫晶體振蕩器（ OC XO ） ,頻率穩(wěn)定度可達(dá) lxlO-8/d, 具有優(yōu)良的相位噪聲性能。 參考鎖相環(huán)用于產(chǎn)生本振鎖相環(huán)的參考頻率。 壓控振蕩器I 采 用壓控晶體振蕩器（ VCXO ）產(chǎn)生高頻譜純度的本振參

7、考信號， 這個(gè)信號的頻率使用 p LL 芯片中的整數(shù)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，由分頻 器、 VCXO 、鑒相器及環(huán)路濾波器構(gòu)成的參考鎖相環(huán)鎖定在基 準(zhǔn)頻率上，其與標(biāo)頻的關(guān)系為： fr= 1 28x=l 6o 7 772 1 6M （鑒相頻率為 13 1。 072k） ；本振鎖相環(huán)為射頻信道提供混頻 用的本振信號，要求步進(jìn)達(dá)到1,誤差0.01（ 1x1 0-8） ； 采用PLL 芯片的小數(shù)環(huán)設(shè)計(jì)，環(huán)路射頻頻率1 6 分頻后輸出 ,16 的步 進(jìn)要求小數(shù)分頻器的步進(jìn)最小為 ： 1 6 7 7721 6 - 1 6= 1 04 8 576= 2 20（ 20位最大數(shù)為 1 0 485 7 5） , 即小數(shù)分頻器的

8、小數(shù)分頻模位數(shù)需達(dá)到 21位以上，方可滿足要求；本振信號頻率與本振 參考頻率的關(guān)系為：FL=A16=6 3 o 078? 9 3 o 0 7 8 M,其中No F 為小數(shù)分頻比。 射頻本振鎖相環(huán)的輸出采用寬帶低噪聲放大器，為射頻信道混頻器提供電平達(dá)17dBm 的本振信號，以 保證混頻器的三階性能對本振的需求，使用 7 階橢圓高通濾波器濾除本振信號的低頻端干擾。2 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑2. 1多速率變頻處理技術(shù)J多速率信號處理是實(shí)現(xiàn)信號處理數(shù)字化的關(guān)鍵，雖然采樣定 理的應(yīng)用降低了所需的射頻采樣速率， 但從對軟件無線電的要求來看，帶通采樣的帶寬越寬越好，這樣對不同信號會(huì)有更好 的適應(yīng)性，可以簡化系統(tǒng)

9、設(shè)計(jì). 提高采樣速率可提高采樣量化的 信噪比，但采樣后的數(shù)據(jù)流速率也會(huì)很高， 這樣會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的信 號處理速度難以跟上。特別是對寬帶多路信號處理，其計(jì)算量 大，數(shù)據(jù)吞吐率太高很難滿足實(shí)時(shí)性要求，這樣就必要對A/ D 后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理。多速率信號變頻處理技術(shù)為這種 降速處理的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上是對采樣后離散序列的重采樣過程，抽取和內(nèi)插是其基本環(huán)節(jié)，可將數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)分解成若干個(gè)不同相位的組，以提高抽取內(nèi)插器的計(jì) 算效率，有利于信號的實(shí)時(shí)處理, 簡化濾波器的設(shè)計(jì)。2o 2 多相濾波技術(shù)陽多速率信號處理的核心目的是在不 改變信號攜帶信息的條件下降低信號的流速率，以減輕對信號處

10、理器件的運(yùn)算速度的壓力，來最大化地提高系統(tǒng)效能 . 而多相濾 波器起著抑制鏡像干擾和鄰頻道干擾的重要作用，其設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的接收性能 . 對信號進(jìn)行多速率處理時(shí)，要在信號的抽取 Z 前和信號的插值 Z 后進(jìn)行信號的限帶濾波 . 抽取是信 號頻譜擴(kuò)展的過程、插值是 信號頻譜壓縮的過程，若不進(jìn)行限帶 濾波，則抽取后信號頻譜在周期延拓?cái)U(kuò)展的過程中將會(huì)引起頻譜的混疊造成信號的改變，使信號信息產(chǎn)生變化；同理，插值的過程沒有限帶時(shí)，也將會(huì)使冗余信息壓縮進(jìn)信號的頻譜中，造成信號攜帶信息的改變, 使信號失真。濾波器分別放置在抽取器之前 和內(nèi)插器之后。而這兩個(gè)位置恰恰是信號流速率相較另一側(cè)更 高的一端，這會(huì)增大信號處理的運(yùn)算量。對限帶濾波器h n 的Z變換進(jìn)行分析，H可以轉(zhuǎn)化為如下形式：再根據(jù)抽取與濾波器之 間的恒等變換， 可以把抽取系統(tǒng)轉(zhuǎn)化等效的多相形式。濾波器 的運(yùn)算是在對信號進(jìn)行抽取Z 后進(jìn)行，這就降低了原信號的信號 流速率，使后續(xù)對信號處理過程的運(yùn)算量大大的降低了。這就體現(xiàn)出了多相濾波形式的一大優(yōu)勢，并且還可以根據(jù)后續(xù)處理的要求，采取不同的多相形式來提高系統(tǒng)的效率，節(jié)省了系統(tǒng)的內(nèi)部 資源。陽短波寬帶多路接收技術(shù)是目前起來的一種，在短波快 速選頻建鏈、短波信號監(jiān)測等方面獲得了很好應(yīng)