一種用于軟件無線電的接收機射頻前端電路設計與實現

摘 要:設計了一種用于軟件無線電的射頻前端電路,該電路可工作于短波、超短波頻段(3～89 MHz)。電路將天線接收的信號經過前端濾波、AGC、放大處理后,將輸出信號穩定到2 V,直接送給下級進行A/D采樣及基帶處理。設計的核心是寬帶AGC電路,采用了一種級聯VGA的形式,較大地提高了AGC電路的動態范圍和線性范圍。經過硬件實測,該接收電路靈敏度能夠達到-90 dBm,動態范圍為70 dB,并且具有線性度高、噪聲系數小等特點。

關鍵詞:軟件無線電; 射頻前端; 自動增益控制; 可變增益放大器

中圖分類號:TN911; TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0037-04

Research and Design of Receiver RF Front-end Circuit for Software Radio

DENG Ai1, GE Li-jia1, XU Zi-ling2, ZHU Lin1, SHUANG Tao1

(1.Chongqing Communication College, Chongqing 400035, China; 2.The Second Artillery Equipment Research Institute,Beijing 100085,China)

Abstract: A RF front-end circuit for software radio was designed, which can operate on short wave and ultra-short wave frequency band(3～89 MHz). The received signal from antenna turns the input signal to 2 V and then transforms to the next class-analog-to-digital converter circuit through front-end filtering, AGC and amplification processing. AGC is the core of the circuit, which takes a form of cascade VGAS and improves the dynamic range and linear range. Taking hardware practical test, the maximum sensitive is -90 dBm, the largest dynamic range is 70 dB, the system has good linearity and low noise figure.

Keywords: software radio; RF front-end; AGC; variable gain amplifier

收稿日期:2010-03-18

軟件無線電要求通信系統的“全數字化”,也即寬帶ADC(Analog-to-Digital Converter)和DAC(Digital-to-Analog Converter)向射頻(RF)端靠近,同時要求開放的、可擴展的、模塊化的軟硬件平臺體系結構,實現多頻段、多模式、多業務、多個性[1]。典型的軟件無線電主要包括射頻前端(含天線),AD/DA,數字信號處理三部分。本文研究并實現了一種適用于上述軟件無線電基本結構的射頻前端電路(不包含天線),該射頻前端電路具有靈敏度高、動態范圍大、線性度好、噪聲系數低、工作頻段寬等特點。

1 接收機整體設計

由圖1基本結構可以看出,適用于軟件無線電的接收機射頻前端電路較之傳統接收機射頻前端電路沒有了混頻單元,射頻前端直接將天線接收的信號經過處理送給A/D轉換單元[2]。這不僅對后續的A/D采樣、基帶處理提出了更高的要求,也對射頻前端電路放大,穩定性等方面提出了新的挑戰。接收機射頻前端電路主要的任務是對天線接收到的信號進行選擇性放大,提高接收信號的信噪比;同時,調整天線接收到的信號幅度,使其與A/D轉換器的最佳輸入范圍一致,基本結構如圖2所示:通常主要由帶通濾波器、LNA、AGC電路等組成。

圖1 軟件無線電基本結構

圖2 接收機射頻前端功能框圖

帶通濾波單元初步濾除帶外噪聲干擾,提取有用信號。RF插入損耗、波紋、3 dB帶寬、矩形系數、阻帶抑制是帶通濾波器要重點考慮的技術指標[3]。LNA單元主要完成對有用信號的前端放大,使信號能滿足后級的各種需要,并盡最大可能提高信噪比。噪聲系數,工作頻段、線性范圍,P1 dB壓縮點等指標是LNA要重點考慮的技術指標。AGC(Automatie Gain Control)單元主要起到穩定信號幅度的作用,同時使信號幅度盡可能的符合A/D的需要,動態范圍、響應時間是AGC設計的關鍵。

2 設計中重點考慮的幾項技術指標

本設計要求接收機工作于短波/超短波頻段即3～89 MHz,工作頻段、靈敏度、線性范圍、動態范圍、噪聲系數是設計中需要重點考慮的幾項技術指標。

(1) 靈敏度

靈敏度定義為當接收機輸出功率和輸出信噪比一定時,天線上所需感應的最小電動勢[4],它表示了接收機接收微弱信號的能力,靈敏度越高,則表示接收微弱信號的能力越強。

靈敏度(dBm)=10log(kT)+10log(BW)+SNR+NF

(1)

式中:當T=300 K時,10log(kT)=-173.8 dBm,BW為接收機帶寬;SNR為接收機要達到的信噪比;NF為噪聲系數[5]。接收機的靈敏度主要取決于整機總增益和內部噪聲的大小,要提高靈敏度必須從這兩方面下手。而總增益的提高與內部噪聲的減小又是有聯系的,系統總的噪聲主要取決于前一、二級的內部噪聲和增益的大小,因此必須采用具有特定性能指標的低噪聲放大器(LNA)作為前端放大器。本設計要求靈敏度達到-90 dBm。

(2) 線性范圍

線性范圍是指使接收機信號不發生失真的線性工作范圍,它由各級電路的線性工作范圍共同決定[6]。放大是整個前端電路中非常重要的一個環節,由于軟件無線電的接收通道是寬帶的,通帶內的非期望信號很多,因此,在軟件無線電中不能用非線性放大器,而只能用線性放大器,否則就會引起許多非線性產物。線性范圍是線性放大器的基本技術指標。

(3) 動態范圍

動態范圍在接收機中是由AGC電路實現的。AGC電路的動態范圍是指輸出電平在規定范圍內時所允許的輸入信號電平的變化范圍[7]。輸出電平變化一定時,相應的輸入信號電平變化范圍越大,則AGC的動態范圍越大。本設計要求動態范圍達到70 dB。

(4) 噪聲系數

噪聲系數是指放大器輸入端的信噪比與輸出端的信噪比之間的比值,即:

NF=(Psi/Pin)/(Pso/Pno)

(2)

式中:NF為噪聲系數;Psi/Pin為輸入信噪比;Pso/Pno為輸出信噪比[3]。多級電路的噪聲系數計算公式由式(3)給出:

F=F1+∑N-1i=1Fi+1-1∏ij=1=

F1+F2-1G1+F3-1G1G2+…+FN-1G1G2…GN-1

(3)

式中:F是等效的總噪聲系數,Fi是第i級的噪聲系數,Gi是第i級的放大增益。由公式可知,射頻系統的噪聲系數主要取決于第一級放大電路的噪聲系數和功率增益。系統噪聲系數F一定大于第一級電路的噪聲系數F1。只要第一級電路具有較小的噪聲系數和較高的功率增益,后面電路的噪聲系數對系統的影響就不會太大。再次說明LNA的設計選擇非常重要。

根據接收機要達到的幾項關鍵技術指標,結合所選器件的參數性能,理論設計了接收機的整體增益分配框圖,如圖3所示,射頻前端輸出信號設計為2 V。

圖3 接收機整體增益分配框圖

為最大限度減少噪聲以及前級噪聲的逐級放大效應,在各級放大之間均加入了帶通濾波器,濾波器的帶內衰減折算為-2 dB。固定增益放大采用+20 dB的低噪聲放大器,要求工作頻段符合要求,噪聲系數低,線性范圍大?？煽卦鲆婺K采用AGC架構,由VGA和功率檢測芯片組成,VGA的輸出范圍要和功率檢測芯片的輸入范圍匹配。接收機采用的具體結構根據所采用的具體芯片而決定,特別是AGC所處的位置,要根據VGA芯片和功率檢測芯片的參數值決定,主要參考芯片輸入輸出范圍,噪聲系數,VGA芯片工作的線性范圍,功率檢測芯片的檢測范圍等。設計中要特別注意前級線性輸出與后級線性輸入的匹配,避免結構設計的缺陷帶來的非線性失真。各模塊均采用集成芯片,包括濾波器在內均采用貼片結構,這樣有利于減少分立元件的分布參數帶來的各種干擾,實現較高的性能指標。由增益分配框圖可知,理論上該前端電路靈敏度能夠達到-106 dBm,動態范圍為96 dB。

3 AGC的設計

接收機工作時,由于無線電波傳播中的多徑效應和衰落等原因,天線上感應的有用信號強度往往有很大的起伏變化(可達60～80 dB),且在許多情況下信號強度的變化是隨機的,甚至是快速的[10]。因此,為了避免接收機輸出電平出現時強時弱、阻塞等現象的發生,無線電接收機中普遍采用自動增益控制電路,壓縮有用信號強度的變化范圍,以穩定接收機的輸出電平。AGC模塊是射頻前端電路設計的關鍵所在,是實現接收機較高靈敏度和較大動態范圍的核心,所以AGC模塊必須重點考慮。

常規AGC電路的基本原理是輸入信號通過一個可變增益放大器(VGA),輸出信號的同時反饋到檢測電路,檢測電路的輸出與一個設置參考電壓合成差錯信號,差錯信號經過變換形成控制VGA增益的控制電壓,從而改變VGA的增益,最終達到動態平衡。傳統AGC電路基本框圖如圖4所示。

圖4 AGC基本原理圖

單片VGA芯片的動態范圍通常較小,較高檔的也只能達到40~50 dB,不能滿足接收機對動態范圍的要求。本設計為了提高AGC的動態范圍和線性范圍,采用了級聯兩片VGA芯片,共用一片檢測芯片的方案,基本框圖如圖5所示。

圖5 級聯形式的AGC

從圖5可以看出,兩個VGA芯片采用串聯形式,由一個檢測芯片提供增益控制電壓,形成反饋環。采用這種結構的優勢是可以提高AGC的動態范圍,理論上可提高兩倍。同時,由檢測芯片提供給VGA的增益控制電壓,可采用滑動變阻器靈活設計分壓網絡,讓級聯的兩個VGA提供不同的增益,使VGA更好地工作在線性區內。

AGC設計中,響應時間也是非常重要的一個技術指標,從輸入信號電平開始變化到放大器增益做相應變化這一段時間,稱為AGC電路的響應時間[8]。通常用AGC電路的時間常數τ=RC來表示。響應時間必須有一個折衷的考慮,既要對輸入信號的幅度變化做出及時的反應,又要不改變信號本身所帶有的幅度信息(如幅度調制)。響應時間由VGA和檢測芯片共同決定。

檢測芯片一般來講有四種類型,如包絡檢測(Envelope Detector)、平方律檢測(Square-law Detector)、均方根檢測(True-RMS Detector)、對數檢測(Log Detector)[9]。對于一般的信號選取四種檢測法則均可以,因為檢測芯片的輸入信號一般處于連續的平均水平。但對于較大的突發性信號,四種法則的響應是不同的。

4 硬件實現與實測結果

射頻電路設計中,PCB的制作非常關鍵,直接影響到電路所能達到的技術指標,要綜合考慮元件的布局、布線,最大限度的減少干擾和節約成本?；谝陨系姆治?采用四層板設計并實際制作了接收機的硬件電路,其硬件PCB版圖如圖6所示。

圖6 硬件PCB版圖

對接收機的實際性能進行了實驗室條件下的硬件實測,接收信號由信號源代替,將信號源通過有線方式連接到接收板,然后再用示波器測量,其基本測試環境如圖7所示。

圖7 測試環境圖

實驗室信號源能夠產生0～89 MHz的信號,頻率條件能夠滿足,幅度范圍只有-56.02～+23.98 dBm,故采用了外加衰減器調整信號的幅度,達到調整輸入信號動態范圍和實現較小輸入信號幅度的目的。

圖8為輸入信號為50 MHz,輸入信號幅度為-50 dBm(已疊加衰減器)的輸出波形。圖9為輸入信號為50 MHz,輸入信號幅度為-70 dBm的輸出波形。由圖8,圖9可知,輸入信號頻率相同,幅度不同,由輸出波形可知AGC正常工作,射頻前端電路工作良好。

圖8 實測波形1

圖9 實測波形2

圖10為輸入信號-10 dBm時的輸出波形,由輸出波形可知電路已達到飽和狀態。圖11為輸入信號為-100 dBm時的輸出波形,輸出信號幅度明顯減小,不能達到電路設計要求。

圖10 實測波形3

圖11 實測波形4

當固定輸入信號頻率為40 MHz,改變輸入信號幅度,實測結果如表1所示。

由輸出信號幅度可知:接收板正常工作,特別是AGC起到關鍵作用,輸出信號穩定在13 dBm(p-p值2 V)左右,波動范圍1 dB以內。

表1 接收板實測結果(f=40 MHz)dBm

輸入信號幅度輸出信號幅度-9012.6-8013.0-7013.1-6013.0-5013.1-4013.3-3013.4-2013.5

5 結 語

采用級聯形式的VGA,綜合考慮接收機預定的技術指標、各種芯片的性能參數,合理布局固定增益放大和可控增益放大的位置,設計了一種用于軟件無線電的接收機射頻前端電路,并在實驗室條件下進行了硬件實測,接收機靈敏度達到-90 dBm,動態范圍達到70 dB,滿足了系統設計的要求。

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