软件无线电中的宽带射频前端研究

2011-02-09郭宏伟姜春风

制造业自动化 2011年4期

郭宏伟，姜春风

（1.龙嘉国际机场航管楼导航科，长春 130039；2.吉林农业科技学院信息工程学院，吉林 132101）

0 引言

软件无线电，最初起源于军事通信，其基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现，目的是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。但是如何能很好的完成这一举措，这就需要我们对其关键部分进行深入的研究，因此，本文将宽带射频前端作为研究对象，并进行了深入了解构思。

1 软件无线电

1.1 软件无线电的关键思想

软件无线电的关键思想在于构造一个标准化、模块化的通用硬件平台，将各功能用软件来实现，并使宽带A/D和D/A转换最可能地靠近天线。这种由“A/D-DSP-D/A”硬件平台和各种功能软件模块组成的无线通信系统，通过软件改变硬件配置结构方式实现不同的通信功能，从而具有高度的灵活性、开放性的特点。

图1 软件无线电典型硬件平台

1.2 软件无线电的关键技术

软件无线电就是要构造一个通用的、可编程的，以数字信号处理器件为主的硬件平台，通过在该平台上运行不同的软件模块，来实现无线通信电台的所有功能。它的典型硬件平台结构如图1所示。

它主要由宽带/多频段天线、宽带射频处、宽带A/D与D/A转换器、高速数字信号处理部分等组成，各部分之间通过开放式总线结构连接起来，其关键技术有以下几个方面：

1）多频段天线

2）宽带射频处

3）调制解调关键技术

4）数字信号处理

5）开放式的总线结构

其中，宽带射频处作为软件无线电的一个重要组成部分，它必须能工作在较宽的频率范围，并完成宽带低噪声放大（LNA）、滤波、自动增益控制以及输出功率的产生等功能。由于当前A/D，D/A器件的限制，数字处理部分还不能直接在频率很高的射频频段进行，所以这部分还应具有将射频信号转换为标准中频信号的功能，即将射频信号经过一次或两次混频后，得到几十MHz的中频段信号。这一部分的功能目前只能依靠传统高频模拟器件组成的硬件设备来实现。但随着高速A/D，D/A器件的发展，数字信号处理部分会越来越靠近天线，从而实现真正意义上的软件无线电。

2 宽带射频前端设计思路

2.1 采样方式的选择

软件无线电需要一个高品质因数、宽带、线性好的射频前端。考虑到软件无线电台对于电磁兼容和操作维护等灵活性的要求，宽带射频前端及功放作为一个独立且可互换的电台单元，必须是可编程的。作为调谐电路，在提高增益、抑制镜频、提高SNR和选择性的同时，必须减少对软件定义参数的限定，因此对于电台的发射、接收部分在设计上提出了新的挑战。

宽带射频前端作为软件无线电系统设计的关键部分，由于无线频段的带宽很宽，不同频段的特性差异很大，这要求设计通用性能良好的射频前端接口，同时在设计射频子系统时尽可能降低对后面的处理能力的要求。就目前的硬件性能而言，还无法在射频段实现全数字化处理。

在软件无线电系统中，不同的采样方式不仅决定射频前端的组成结构，而且也影响其后处理方式和速度。对应不同的采样方法，软件无线电具有射频低通、射频带通、中频带通和零中频4种结构。这4种结构各有优缺点，而其中的中频带通采样结构是指通过混频将射频信号变换为中心频率、带宽、幅度适于A /D采样的宽带中频信号。这种结构尽管复杂，但降低了对A /D采样速率、工作带宽和动态范围的要求，在A /D器件无法满足要求的情况下无疑是近期软件无线电一种较可行的方案。

2.2 结构方式的选择

软件无线电一般可采用的结构方式有两种：即超外差型和直接变换型。而超外差结构一般在中频A/D变换，而直接变换结构采用基带A/D变换。鉴于基带A/D变换在理论和实践上已经成熟以及电台软件化的要求，我们当前研究的重点应是进行中频高速A/D变换的超外差结构。虽然这种软件无线电的射频前端比较复杂，但可以通过模拟混频器和带通滤波器，把射频信号变换为适合于A/D采样的宽带中频信号或把D/A输出的宽带中频信号变换为射频。通过相对复杂的射频前端，把高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信号后，给后续的A/D采样数字化大大减轻了负担。这种结构使前端电路的实现得以简化，信号经过接收通道后的失真也较小，具有更好的波形适应性、信号带宽适应性以及可扩展性。这种宽带中频带通采样软件无线电结构是几种结构中最容易实现的，使A/D设计大大简化，对器件的性能要求最低，这是射频前端复杂性所带来的好处。但离理想软件无线电的要求最远，可扩展性、灵活性也是较差的。在A/D器件无法满足要求的情况下，增加一点复杂性也是值得的，无疑是近期软件无线电一种可行的设计方案。

3 宽带射频前端的整体框架

宽带射频前端要求器件有较宽的频率范围，主要完成宽带低噪声放大、滤波、混频、自动增益控制以及输出功率放大等功能。借鉴国外的一软件无线电台方案，射频前端可分三段实现：2 30MHz，30 500MHz，500 2000MHz，做成可置换的标准化模块如图2所示：

图2 宽带射频前端整体结构

这一部分与传统的无线电台基本相似，只是下变频到10MHz左右的中频即可，而不必用模拟电路处理到几十KHz的基带信号，从而简化了射频前端的实现，具有较大的实用性和灵活性。

4 设计问题中的优化

由于接收机中有一些滤波器单元，在一定程度上降低了接收链路的动态范围，而且这些滤波器只有固定的中心频率和带宽，调谐性能也较差。这些因素的综合，严重影响了电台的灵活性。考虑到电台对体积、价格、性能等要求，在设计中应该尽量减少使用滤波器的数量。减少滤波器数量，虽然提高了电台的灵活性，但是却对射频/中频模块的线性要求很高。同时还要在混频之前进行镜频抑制。然而，射频前端的线性度和动态范围比较有限，容易造成有用信号的失真，因此要采取一些补偿技术。其主要方法如下：

1）放大器线性化，宽带接收机系统，要求较高的动态范围，而非线性放大器有较大的交调干扰和调谐失真，必然加大有用信号的失真，降低接收机的动态范围。因此应尽量减少使用非线性放大器。

减少信号失真的一种最有效的方法是对输入信号进行分路，独立地放大每一路信号，然后进行合路。由于只是将信号分路，所以每个信道在分路时的损耗可在合路时进行补偿。此时分路网络中的噪声指数取决于放大器的噪声指数以及分路单元的插入损耗。随着路径数目的增加，网络的复杂性和插入损耗也会上升。

为了进一步消除干扰噪声，可对放大器进行线性化。前馈或笛卡儿反馈回路就具有线性补偿能力，尤其前馈技术，能充分满足软件无线电对带宽和噪声指数的需求。基本原理是：首先获取一个偏差信号，此信号仅包含放大器造成的失真成分，然后在放大器的输出中减去偏差信号，从而得到线性度较好的有用信号。前馈补偿网络基本过程是：首先将输入信号分到两个相同的通路：两条路径的延迟时间相同，每一通路分得的信号比例可以不同。主路径信号由主放大器放大。直接耦合线圈从主放大器输出信号中耦合一部分信号，并将其送至减法器，在减法器中减去次路径分离出的同相信号，相减的结果是获取了一个偏差信号，此信号中包含了来自主放大器的失真信息，理想情况下，应该不再有原始信号的成分。偏差信号经过放大器放大，并送入输出耦合器。同时主路径的信号反相馈至输出耦合器，在输出耦合器中经过偏差信号的作用，主路径信号中的失真波形将被抵消。最终产生了线性度较好的放大信号。

采用前馈技术可以工作在很宽的带宽上。由于放大器的噪声指数由系统中的元器件决定，而在前馈网络中，噪声与失真信号经过同样的处理。所以，噪声在网络中得到了抑制，降低了噪声指数。因此，只须注意减少次路径中的损耗即可。

2）中频处理，射频信号经过混频处理至中频，包含一个宽带信号或许多窄带信号。信号还要经过中频放大，然后再进行高速A/D变换。因此，中频放大器仍要具有一定的动态范围，才能获得低噪声、低失真的信号。同样可采取前馈技术，但要注意所使用的放大器和耦合器必须有平坦的频率响应特性。通过两个前馈网络，可以使信号提高 41dB，而噪声指数下降4dB。

3）镜象抑制混频器，传统的窄带接收机中，一般在混频前使用预选滤波器进行镜象抑制。但是，这种结构已经不能满足多信道接收机的要求。

近年来采用镜象抑制技术和低变频损耗的混频二极管，使混频器的噪声性能进一步得到改善。图4是镜象抑制混频器的原理图。同相等幅的高频信号分别加至两个平衡混频器，本振信号经90°混合接头后分别加至两个混频器中，两个混频器输出的中频信号加至具有90°相移的中频混合接头。在中频输出端，使得镜象干扰相消，中频信号相加。理论分析和实践证明，镜象抑制混频器的噪声系数比一般镜象匹配混频器低2dB左右。

镜象抑制混频器具有噪声系数低、动态范围大、成本低等优点。在0.5～20GHz频率范围，噪声系数为4～6dB。进一步采用计算机辅助设计、高品质因数低分布电容的肖特基二极管和超低噪声系数的中频放大器，在1～100GHz频率范围内，可使噪声系数降低3～5dB。然而，目前较好的镜象混频器IC仅能提供35dB的镜象抑制，而且带宽有限。因此，仅仅通过提高工艺水平是无法满足要求的。一方面要提高混频器中各部分的性能，尤其是提高90°移相器的性能，另一方面从整个系统入手，寻求一种最佳的镜象抑制混频器。