一种宽带零中频收发前端设计

陈星锜，陈建军

（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2.南京船舶雷达研究所 江苏 南京 210003）

在现代数字相控阵雷达中，由于通道数达几千，甚至上万，因此零中频架构所具备的小体积、低成本的应用就具有非常突出的意义。但是，由于零中频架构所存在的直流偏差、I/Q幅相不平衡等典型问题[1]，限制了其在雷达中的实际应用。特别是由于雷达信号一般带宽较宽，而国内外已经研究成功的补偿技术都是针对带宽较窄的通信信号。

本文着重介绍依靠现代高集成度的IC芯片，设计出符合FMC（FPGA Mezzanine Card）规范的通用宽带零中频收发前端板卡。

1 收发机结构

发射机大致可分为3种：一种是超外差式，由于第一本振频率较低，可以达到较高的调制质量，功放与本振之间也具有良好的隔离度，但是复杂度较高；第二种就是直接上变频发射机，由于功放靠近本振，会形成干扰，但是结构简单；另外一种是直接数字调制发射机。

按照现代接收机拓扑结构，可将接收机分为超外差接收机，镜像抑制接收机，零中频接收机，低中频接收机[2]。这些结构都有各自的优缺点。

1）超外差接收机

超外差接收机一般使用混频器经过多次的下变频将高频信号变换成中频频率较低的信号，它需要高品质的镜像抑制滤波器和信道选择滤波器，可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范围。然而集成这样的高品质滤波器是有一定难度的，只能在片外实现。所以超外差式接收机集成度低，复杂度高。

2）镜像抑制接收机

镜像抑制接收机不需要镜像抑制滤波器的电路结构能使镜像信号得到一定的抑制。它可分为Hartley结构Weaver结构，这两种结构的主要问题都是对两路中频信号相位、幅度不平衡的敏感，从而导致镜像抑制效果不理想。

3）零中频接收机

零中频接收机直接将射频信号变换到基带。由于各端口的隔离度有限，必然存在一定的信号泄漏，本振信号的自混频和强干扰信号的自混频导致输出直流分量，而且大的直流偏移可能使混频器后的放大器饱和；有源器件的闪烁噪声集中在低频段，干扰了接收信号低频分量，降低了接收机的信噪比；同镜像抑制接收机一样，它也存在着幅相不平衡的问题。但是，它不需要镜像抑制滤波器，信道的选择也只需要简单的低通滤波器，这样大大的提升了集成度，降低了成本。从提高集成度来考虑，这种结构是很好的选择。

4）低中频接收机

这种结构具有和零中频结构类似的优点，同时也改善了直流偏移的问题。但是它要求很高的镜频抑制比，需要结合使用抑制镜频的变频结构和额外的镜频抑制措施，比如采用镜频抑制滤波器，多相滤波器，数字滤波。

另外还有一种二次变频宽中频接收机，它的第一本振采用固定频率，第二本振采用可变频率，完成调谐功能；第二中频为零中频，可以使用低通滤波器选择信道。这种结构使用两次复混频，有效地解决了镜频干扰。与零中频相比，不存在直流漂移和本振泄露问题；但是它的第二本振频率较低，要获得大变频范围较困难。同时由于第一中频处没有信道选择滤波，所有信道均被放大后进行变频，相邻信道干扰比较严重，所以对动态范围的要求较高[3]。

本文采用零中频架构，其结构简单，成本低，功耗小，有利于系统的单片集成，适合应用在现代数字相控阵雷达中。

2 收发平台设计

2.1 性能指标

1）上行通道

射频频率范围：3.1～3.4 GHz

瞬时带宽：80 MHz

D/A转换率：128 MSPS

D/A位数：14 bit

2）下行通道

射频频率范围：0.4～4 GHz

噪声系数：<3 dB

瞬时带宽：80 MHz

A/D采样率：64 MSPS正交采样

A/D位数：12 bit

2.2 设计方案

根据性能指标的要求，进行芯片的选择，采取如下方案:上行通道由ADI的正交上变频器ADL5375、自行设计的80MHz LC低通滤波器、TQS公司的低噪声放大器AG403－86G组成。下行通道由低噪声放大器WHM1045，ADI的正交下变频器ADL5380，自行设计的80 MHz LC低通滤波器组成。0.4～4 GHz的本振可用ADF4350实现；AD/DA用12bit/64MSPS，14bit/128MSPS的AD9862实现。收发前端整体结构如图1所示。

图1 宽带零中频收发前端框图Fig.1 Structure diagram of the broadband zero-if transceiver front-end

1）宽带频率合成器ADF4350

ADF4350[4]结合外部环路滤波器和外部基准频率使用时，可实现小数N分频或整数N分频锁相环（PLL）频率合成器。ADF4350具有一个集成电压控制振荡器（VCO），其基波输出频率范围为2.2～4.4 GHz。此外，利用1/2/4/8/16分频电路，用户可以产生低至137.5 MHz的RF输出频率。

2）宽带正交调制器ADL5375

ADL5375[5]是一款调制范围可达400 MHz～6 GHz的宽带正交调制器，其出色的相位精度和幅度平衡特性使其适用于高性能中频或直接射频调制通信系统。ADL5375适用宽基带信号，在450 MHz～3.5 GHz范围内输出增益平坦，变化不超过1 dB，宽带输出回损低于－12 dB。ADL5375适合宽带零中频或低中频到射频的应用，宽带数字预失真发射机和多频带射频设计。

3）宽带正交解调器ADL5380

ADL5380是一款宽带正交I/Q解调器[6]，涵盖400 NGz～6 GHz的RF/IF输入范围。在900 MHz时，其噪声系数为10.9 dB，IP1 dB为 11.6 dBm，三阶交调截点为 29.7 dBm；具有出色的动态范围。其解调精度非常出色，幅度平衡和相位平衡分别约为0.07 dB和0.2°。解调相内和正交差分输出经过完全缓冲，提供约7 dB的电压转换增益。完全平衡的设计极大地降低二阶失真的影响。从LO端口至RF端口的泄漏小于－50 dBm。

4）宽带混合信号前端处理芯片AD9862

AD9862是一款适合宽带通信市场的多功能集成混合信号前端芯片[7]。AD9862的接收路径包括用以在基带或低中频上接收多种数据或正交 （I、Q）数据的两个高性能12位，64MSPS的ADC、输入缓冲器、可编程增益放大器、数字希尔伯特滤波器和抽取滤波器。输入缓冲滤波器给两通道提供了固定输入阻抗与外部元件阻抗匹配。接收可编程增益放大器可以提供20 dB的增益范围。

AD9862发射路径包括两个高性能 14位，128MSPS的DAC，可编程放大器，插值滤波器，希尔伯特滤波器和适合实复信号调制的数字混频器。发射可编程增益放大器可提供超过20 dB的增益范围。

2.3 核心芯片间匹配设计

1）ADF4350 输出匹配

ADF4350的输出匹配有多种方法，最基本的方法是将一个50Ω电阻连到Vvco。如图2所示，串联一个100 pF的直流旁路电容。该电阻与频率无关，因而可以提供良好的宽带匹配性能。还有一种解决方案就是将一个分流电感（充当RF扼流圈）连到Vvco，由此可以获得更好的匹配性能，从而提供更高输出功率。由于本设计是对宽带信号的设计，所以选用前面一种方法。

2）DA至ADL5375、ADL5380至AD匹配低通滤波器设计

图2 ADF4350匹配输出级Fig.2 ADF4350 matching output

AD输入端低通滤波器：可以选择通带内群延迟特性最为平坦的贝塞尔型滤波器。采用7阶贝塞尔滤波器，根据归一化贝塞尔低通滤波器[8]，按截止频率80 MHz，特征阻抗50Ω设计。根据AD9862芯片手册得知AD差分输入阻抗为200Ω，所以须并联68Ω电阻降为50Ω，才能形成匹配。AD输入端设计的低通滤波器如图3所示。

图3 AD输入端低通滤波器Fig.3 Low pass filter of AD input terminal

DA输出端低通滤波器：采用7阶贝塞尔滤波器，按截止频率80 MHz，特征阻抗100Ω设计。由于ADL5375的输入端为60 kΩ高阻，所以须并联100Ω的电阻降为100Ω，才能形成匹配。DA输出端设计的低通滤波器如图4所示。

图4 DA输出端低通滤波器Fig.4 Low pass filter of DA output terminal

3 性能测试

采用Agilent信号源给FMC板卡接收端灌入512.5 MHz，功率为-10 dBm的正弦信号，本振信号为500 MHz。将ChipScope获取的基带I/Q采样数据导入Matlab进行仿真分析，幅度平衡约在0.22 dB，相位平衡约在10.2°，镜像抑制比达8.343 dB。如图5所示。

为改善板卡性能，可用信号源产生不同频率的信号，灌入RF输入端，AD的转换结果通过FMC插座传给FPGA，进而传给计算机，得到I/Q数据。通过补偿算法分析I/Q数据，得到补偿参数。再将补偿参数传给FPGA，在FPGA内部用专用高速乘加单元对I/Q数据进行各种运算，实现对I/Q幅相的补偿。

4 结束语

图5 I/Q基带信号Fig.5 I/Q baseband signal

文中主要介绍了一种宽带零中频收发前端的设计。通过提出性能指标，选用合适的芯片，介绍了宽带正交调制器ADL5375、宽带正交解调器ADL5380等核心芯片的功能特点，然后对核心芯片间的匹配接口进行分析设计。最后测试了设计的相关性能，基本达到要求。同时在设计后发现一些问题，如FMC零中频板卡上的80 MHz晶振干扰了上行通道的一个支路，造成输出约有-40 dB的杂散。所以，时钟与敏感信号之间的距离要更远，并且要用地线和打孔屏蔽。本设计在70×75 mm的FMC板卡上完成收发功能，这种小体积、低成本方案可以运用在现代数字相控阵雷达中。

[1]张报明，刘永红，杨睛龙，等.宽带无线通信系统的零中频接收机设计[J].电信科学，2011（12）:144-148.ZHANG Bao-ming，LIU Yong-hong，YANG Jing-long，et al.Design of ZIF receiver for broadband wireless communication system[J].Telecommunication Science，2011（12）:144-148.

[2]Laskar J，Matinpour B，Chakraborty S.Modern receiver frontends:systems， circuits， and integration[M].John Wiley&Sons，2004.

[3]周伟中.VHF/UHF接收机的研究与设计[D].成都：西南交通大学，2010.

[4]Analog Device Inc.ADF4350 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[5]Analog Device Inc.ADL5375 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[6]Analog Device Inc.ADL5380 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[7]Analog Device Inc.AD9862 Data Sheet[EB/OL].[2014-03-6].http://www.analog.com

[8]森荣二.LC滤波器设计与制作[M].薛培鼎，译.北京：科学出版社，2006.