一种软件无线电射频前端方案设计与实现*

［杨进超 王福江 刘恒］



一种软件无线电射频前端方案设计与实现*

［杨进超 王福江 刘恒］

摘要

针对传统软件无线电射频前端存在镜像频率干扰、通道带宽窄、使用不灵活等缺点，提出了一种采用微带线抗混叠滤波器加两级混频架构的射频前端方案，分析了其中的关键技术及解决措施，并给出了仿真结果。最后以空中GSM蜂窝网信号作为测试信号，验证了该方案的可行性。

关键词：软件无线电 微带线滤波器 两级混频 射频前端

杨进超

重庆邮电大学硕士研究生，研究方向为软件无线电，导航雷达。

王福江

重庆邮电大学硕士研究生，研究方向为软件无线电。

刘恒

重庆邮电大学重庆邮电大学移动通信技术重点实验室。

软件无线电是一种以开放式体系架构为基础，在通用硬件平台上应用软件技术实现具有最大灵活性和适应性的各种无线通信方式和功能的系统，其核心技术是将宽带A/ D/A尽量靠近天线，并将无线电通信的各种功能尽可能采用软件来进行定义[1]。软件无线电主要有射频前端和基带信号处理两部分，近年来，随着对此技术研究的深入，不同通信制式的基带处理算法已日趋成熟，而射频前端却由于多种技术难点的限制发展缓慢，射频前端技术的优良直接决定着软件无线电系统的灵活性和性能[2]。基于此，在前人研究的基础上，本文提出了一种微带线抗混叠滤波加二级混频架构的射频前端解决方案，可真正实现软件定制化，且使用灵活、方便。

1 方案对比分析

在软件无线电系统中，不同的射频前端结构对应着不同的采样方式，而且也影响其后续的处理方式和速度。根据采样方式的不同，软件无线电分为射频低通、射频带通、零中频和中频带通4种采样方式。以下简单介绍这4种方法：

（1）射频低通采样结构是指从天线进来的射频信号不经过任何混频，经放大后直接进入AD进行采样。设为射频信号最高工作频率，r为宽带滤波器矩形系数，根据Nyqiust采样定理，采样速率满足

针对100~3000MHz射频前端信号而言，即使允许过渡带混叠，采样速率也至少大于6GHz。如此高的采样率，一般的AD采样芯片很难满足。目前TI公司产的宽带高速AD采样芯片采样率最高为3GHz，且还有进口限制等问题。而且当需要采用大动态、多位数时，该技术在实现上就更加困难。由此可见，尽管该技术有着软件无线电最理想的电路结构，但如此高的采样速率，硬件上难以实现。

（2）射频带通采样是在使用奈奎斯特带通采样定理对射频前端的信号进行采样，在AD采样之前必须要加一高Q值电调滤波器。这种采样结构除需要一个主采样频率外，还需M 个盲区采样频率，而多种采样频率无疑会增加系统的复杂性。另外如此高性能的电调滤波器，其矩形系数特性也很难满足[3]。

（3）零中频结构也叫直接变频结构，其原理是产生一个与射频同频的本振信号，直接与射频信号进行混频，这样接收机直接将射频信号下变频至基带[4]。该技术可以有效地克制镜像抑制的问题，并且减小了接收机对外界的辐射，避免多级高增益高频放大器工作时容易产生的自激现象。虽然零中频结构接收机拥有诸多优点，但也同时存在着I/Q失配、直流偏移的问题，因此零中频架构并不常用。

（4）中频带通采样结构即现在普遍使用的超外差结构，其基本原理是将天线耦合接收的射频信号通过小信号放大和模拟混频转换为固定频率的中频信号，然后送入AD进行采样。这种直接对中频信号进行采样的方法大大降低了对AD采样芯片高性能的要求，解决了射频前端信号处理的难点，因此此种结构得到了普遍应用。近年来出现的多种接收机也都是基于超外差结构形式，比如2012年，BEEcube公司推出的miniBEE平台；2013年智源电子和Lime Microsystems联合开发的Myriad-RF射频板卡等。因此基于超外差的软件无线电射频前端架构依然是今后研究的重点。

2 总体方案设计

超外差结构是目前最成熟的射频接收机拓扑结构，多级频率转换可减小本振频率泄漏的影响。但传统的超外差结构同样也存在缺陷，最严重的就是镜像干扰问题[5]。为了解决镜像干扰的难题，常用的解决方案是针对不同制式的通信标准，在混频器前加高Q值滤波器，不同频点的滤波器可以增加接收机的动态范围并有效抑制带外干扰，因此超外差结构接收机在很长时间段内得到普遍应用。然而，该种方式也存在不足，一是高Q值滤波器在工程上难以实现；二是要实现每一种制式的通信就必须更换相应的滤波器，这完全违背了软件无线电在通用硬件平台实现“软件可定制”的思想。针对这个难题，本文提出了微带线抗混叠加二级混频架构的超外差式接收机方案。

2.1 超外差式两级混频架构

根据上小节对接收机射频前端的几种常见结构的分析，本文采用微带线镜像抑制滤波加两级混频结构作为接收机射频前端的解决方案。采用超外差结构作为接收机射频前端解决方案镜像干扰问题是关键，本方案接收链路结构框图如1所示。

图1 接收链路示意图

由图1可以看出，射频信号经天线耦合进入接收链路，采用一款噪声系数较小的低噪声放大器对接入的射频信号进行功率放大。放大后的射频信号首先经一款微带线镜像抑制滤波器进行滤波，然后将滤波后的射频信号送入一级混频器进行混频。一级混频器采用的本振频率与射频信号频率相差较大，从而导致镜像干扰信号频率与有用射频信号频率之间相差更大。如此一来，系统对镜像抑制滤波器的性能要求并不会很高，采用一款普通滤波器即可以有效地抑制镜像干扰信号。

一级混频后的射频信号频谱被搬移到某一固定频点处，采用一款高Q值的窄带滤波器滤出有用信号，此滤波器Q值较高，具有很好的选通特性。经窄带滤波器后的有用信号进一步进行功率放大，由于放大器正常工作时会引入一些不必要的噪声，经放大后的有用信号需要再一次进行窄带滤波。

经过第二级窄带滤波器后的信号直接进入第二级混频器，第二级混频器将有用信号下变频至某一固定中频。由于第二级窄带滤波器的Q值较高，可以有效地抑制第二级混频器可能出现的镜像干扰；二级混频后的中频信号经中频放大、中频滤波后直接被送入A/D采样芯片进行模数转换。至此，接收链路完成了射频信号的接收。

2.2 系统整体架构

系统的整体架构如2所示，信号分为3个通路，两条接收通路，一条发射通路。整体由五部分组成：控制模块，接收模块，发射模块，时钟模块，电源模块。接收模块主要负责射频信号的正确接收。控制模块主要用于系统所需的各项控制，包括功率控制、增益控制、频率控制等。时钟模块作为系统时钟源，其主要职责为产生混频器所需的本振LO信号以及AD和DA芯片所需的采样信号。时钟模块通过改变混频器本振LO的频率实现不同射频信号的接入。发射模块主要负责射频信号的发射，电源模块为系统提供电源。

图2 系统整体架构图

3 关键技术及仿真

3.1 超宽带微带线滤波器设计与仿真

传统滤波器一般由 LC 搭建而成，而一般的LC 滤波器存在诸多缺点。当工作频率较低时，需要的电感和电容数值都很大，使得滤波器体积和质量大；当工作频率较高时，LC 滤波器会产生寄生效应，寄生效应会严重影响滤波器性能。本方案采用的微带线滤波器不但体积小质量轻，且不存在寄生效应，可以有效地克服 LC 滤波器的缺点[6]。

本方案中采用微带线滤波器对天线下来的100MHz~3GHz信号进行分段接收，100~1800MHz为低通段，1.8~3GHz为带通段。下面以低通微带线滤波器为例说明设计的过程。

为了满足1800MHz通带带宽指标，本方案中的微带线低通滤波器设计为切比雪夫型滤波器。为了保证滤波器输入输出端口与50 欧阻抗线匹配，将滤波器源阻抗和负载阻抗均设置为50欧，带内波纹设置为1dB，通带截止频率为1800MHz，阻带截止频率为2500MHz，阻带截止频率以外频段的衰减为40dB。一般情况下，设计的滤波器实际测试性能会略低于仿真结果，故在设置滤波器参数的时候尽量将滤波器性能设计高一些。

根据以上参数得到的LC滤波器如图3所示，直接对该LC滤波器仿真，仿真结果如图4所示。由于得到的滤波器是LC滤波器，而LC滤波器在高频下会产生寄生效应，故需要把LC滤波器转换为微带线滤波器，本方案采用Richards变换和Kuroda等效实现滤波器的转换。

图3 LC滤波器

图4 LC滤波器仿真结果

经过变换后得到微带线滤波器版图，并对该版图进行momentum电磁仿真得到仿真结果如图5所示。由图4和图5对比可见，该微带线低通滤波器满足指标要求。

3.2 中频LC滤波电路设计与仿真

根据接收链路总体结构可知，在对中频有用信号进行A/D采样之前，需要对中频信号进行滤波处理。本文以140MHz中频滤波为例，说明LC滤波电路的设计过程，并给出仿真结果。

图5微带线滤波器版图仿真结果

通过在ADS中使用滤波器设计向导，本滤波器源阻抗和负载阻抗均设置为50欧，带内纹波设置为2dB，通带低频截止频率为110MHz，通带高频截止频率为170MHz，通带衰减为3dB，阻带低频截止频率为90MHz，阻带高频截止频率为200MHz，阻带衰减为20dB。根据以上参数得到的LC滤波器如图6所示。

图6 LC滤波器示意图

通过在ADS里进行版图优化。并对该优化结果进行仿真分析，可得结果如图7所示。由图7可知，该版图LC中频滤波器指标符合设计要求。

图7优化后的LC滤波器仿真结果

4 测试

该射频前端接收信号范围为100~3000MHz，为了验证系统接收链路的正确性，本文以GSM蜂窝网为例对该射频前端接收链路进行验证。测试环境如图8所示。

图8测试环境

GSM蜂窝网下行信号频率范围为935MHz~960MHz，带宽为25MHz，中心频点为947.5MHz，基带数据速率为270.833kbit/s，频道间隔为200KHz，利用频谱仪检测到空中GSM蜂窝网射频信号频谱。经过一级混频和二级混频后的频谱图分别如图9和图10所示，对比分析可知，一级混频和二级混频后信号的频谱结构是保持一致的。

图9一级混频后GSM频谱图

图10二级混频后GSM频谱图

130MHz频点处的GSM信号经中频滤波后进入中频放大器进行功率放大，直接对功率放大后的信号进行A/D采样，采样速率为104MHz。采样后得到的中频数字信号时域波形如图11所示，经基带处理后得到的GSM相关峰如图12所示。结果表明，接收链路可以正确接收GSM蜂窝网下行信号，验证了接收链路的有效性。

5 结束语

通过对软件无线电各种射频前端方案进行比对分析，本文设计一种新的射频前端电路，旨在建立一个标准化、通用化、模块化的软件无线电射频平台，并对其中的关键电路微带线滤波器和LC中频滤波器进行设计、仿真与分析，最后通过对GSM信号接收验证，该射频平台满足设计要求，能够实现对多模移动通信信号的接收。后期可根据实际要求完善该系统。

图11 GSM信号时域波形图

图12 GSM相关峰

参考文献

1Bailey M, Hagstrom P. An integrated RF front-end for multimode handsets[C]//Microwave Symposium Digest. 2000 IEEE MTT-S International. IEEE, 2000, 3: 1269-1272

2Tuttlebee W. Software radio-Impacts and implications[C]// Spread Spectrum Techniques and Applications, 1998. Proceedings, 1998 IEEE 5th International Symposium on. IEEE, 1998, 2: 541-545

3Reichhart S P, Youmans B, Dygert R. The software radio development system[J]. Personal Communications, IEEE, 1999, 6(4): 20-24

4廖奎旭, 杨自强, 杨涛. L波段超外差接收机的设计与实现[J]. 电子元器件应用, 2012, 14(10): 58-61

5Namgoong W, Meng T H. Direct-conversion RF receiver design[J]. Communications, IEEE Transactions on, 2001, 49(3): 518-529

6李智群, 王志功. 射频集成电路与系统[M]. 科学出版社, 2008

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.013

收稿日期：（2015-12-21）

基金项目：国家自然科学基金（61301126），重庆市基础与前沿研究计划项目（cstc2013jcyjA40041）Foundation Item:The National Nartural Science Foundation of China(No.61301126),The Fundamental and Frontier Research Project of Chongqing(Geant No.cstc2013jcyjA40041)