一种接收超宽带射频信号的方法研究与仿真分析

梁　博

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)



一种接收超宽带射频信号的方法研究与仿真分析

梁博

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)

摘要：在射频接收机的设计中，由于滤波器的带宽和频率源的限制，一般接收机的带宽无法达到几百兆的超带宽范围。设计一种超带宽射频信号的接收方法，通过五路功分和合理选择射频器件，可以在保证信号指标要求的情况下，有效地对250 MHz带宽的射频信号进行接收和下变频。最后通过ADS软件进行射频仿真分析，验证了本接收方法的主要指标满足要求。

关键词：射频接收机；超带宽；仿真分析

0引言

以2.1～2.35 GHz的射频信号范围为例，设计了一种宽带接收方式，将S频段250 MHz的射频信号分5路下变频通道进行接收，将2.1～2.35 GHz的射频信号下变频为240 MHz左右的中频信号，传输给数字信号板进行数字处理[1]。并通过ADS软件进行射频指标仿真，分析了采用本方法的例子的主要指标的达标情况，仿真结果满足指标要求。

1接收通道主要指标参数

本文设计的接收机，既要完成射频信号的下变频工作，又要保证接收过程中信号的主要参数指标具有较为优秀的性能。

主要的参数指标有：输入信号频率：2 100～2 350 MHz；输入信号电平值范围：-90～-30 dBm；噪声系数：≤6 dB；增益：50 dB±1.5 dB；镜像抑制：>80 dBc；输出信号频率：215～265 MHz；输入3阶交调值：>-35 dBm;中频输出杂散抑制：>65 dBc；输出信号电平值：≤10 dBm。

2超宽带射频信号接收方法介绍

图1所示为接收通道的电路原理图。由原理图可知，接收方法是通过第1级滤波放大后，经过3层二功分器，将1路射频信号分为5个支路分别进行下变频和放大滤波，得到以240 MHz为中心频率的5路中频信号并输出。

图1　接收通道电路原理图

由设计指标可知，每一路接收通道要求增益为50 dB，噪声系数要求为“噪声系数≤6 dB”。噪声系数是决定接收通道接收小信号能力的一个重要指标，以下是根据级联情况下，整个系统的噪声系数公式[2]：

(1)

根据公式可知，要想获取较低的噪声系数，就必须使接收通道中的前端电路损耗尽量小，增益尽量大。

从接收通道的原理框图中可以看到，由于每个接收通道只有一路射频信号输入，却产生了5路独立中频信号输出，因此在前端电路的设计中将加入功分器来进行信号分路，这就会在前端电路中引入衰减，造成接收通道噪声系数的恶化。因此如何进行信号分路以及前端放大器的合理选择，是本方法实现噪声系数指标要求的关键。综合考虑诸多因素，放大器选择了Hittite公司的HMC753LP4E放大器，增益为16.5，噪声系数为1.5，输出1 dB压缩点为18 dB；功分器选择中电13所的BW491SM4。经计算，得知通道的噪声系数约为4.33 dB，满足指标要求。

接收通道3阶交调信号的大小，体现接收通道在多信号同时输入时的抗干扰能力。结合模块增益将指标换算到输出端，即“输出3阶交调值IIP3>15 dBm”。从图2所示的接收通道框图中可以看出，影响指标的器件为链路上的放大器、衰减器和混频器。各级器件指标要求及器件指标实际达到情况见表1。

从表1可以看出，为了达到“输出3阶交调值IIP3>15 dBm”的要求，必须满足各级器件的输出3阶交调值加上此器件后级链路的增益大于15 dBm。接收通道IIP3值主要由末级放大器决定，对末级放大器的性能要求最高，可以通过选择高线性的放大器来提升这个指标。接收通道方案中确定末级放大器为Avago公司的PMA-5451+,其性能指标如下:

增益:25.1 dB@240 MHz

OIP3:≥27.9 dBm@240 MHz

P1 dB:≥17 dBm@240 MHz

表1　输出IIP3达到情况分析表

结合图1所示接收通道方案框图，接收通道末级放大器PMA-5451+后还有低通滤波器、限幅衰减和阻抗匹配电路，这些电路带入的损耗有7 dB，所以接收通道OIP3为20.9 dB，并通过以下计算过程得到输入IIP3值[3]:IIP3=OIP3-G=20.9-50=-29.1 dBm,满足接收通道输入带内3阶截点>-35 dBm的要求。

3宽带接收通道仿真分析

接收通道的仿真主要包括链路预算仿真、3阶互调、高次谐波和镜频抑制仿真,分别针对通道的增益、噪声系数、线性度等参数性能以及对杂散、谐波以及镜频干扰信号的抑制程度。下面对5路接收支路中的1路进行射频仿真分析[4]。

3.1链路预算分析

接收通道的链路预算仿真原理图如图 2所示，在 ADS 软件中通过链路预算仿真通道预算控制器对通道的各项参数进行分析。图2中B为带宽；FC为中心频率；NF为噪声系数,单位dB。已知输入射频信号的频率为2 125 MHz，功率为-90～-30 dBm。由仿真结果可以得到输入功率改变时，通道增益、噪声系数、输出3阶交调截点和 1 dB压缩点等参数的变化情况。

图2　接收通道链路预算仿真原理图

(1) 当输入信号幅度为-60 dBm时，由图3可知，通道的总增益约为 51.3 dB，噪声为4.24 dB，OIP3和P1 dB值分别为 17.9 dBm 和 6.96 dBm，输出功率为1.28 dBm。

(2) 当输入信号幅度为-30 dBm时，由图4 可知，通道的总增益约为 39.7 dB，噪声为4.24 dB，OIP3和P1 dB值分别为 17.9 dBm 和 6.96 dBm，输出信号值为9.73 dBm。

图3　小信号时链路预算仿真结果

图4　大信号时链路预算仿真结果

3.2三阶交调分析

向接收通道输入功率为-60 dBm，频率分别为2 125 MHz 和 2 130 MHz 的双音信号，在 ADS 中利用“HARMONIC BALANCE”谐波仿真器对通道的非线性特性进行仿真分析，仿真原理如图5所示。

图5　3阶交调仿真原理图

由图6中结果可以看出，在-60 dBm输入双音信号时，中频输出信号对其3阶交调信号的抑制度约为53 dBc,代入公式[5]：

(2)

可得输入3阶交调系数IP3的值为-33.6 dBm，大于要求值-35 dBm,满足指标要求。

图6　3阶交调结果图

3.3高次谐波和镜频抑制度分析

由混频器和放大器的非线性特性产生的组合频率,通过谐波分析的方法来观察这些干扰对系统的影响程度，仿真原理如图5所示。图 7中 Mixer(1)

表示射频信号(2 125 MHz)的谐波次数， Mixer (2)表示本振(2 365 MHz)的谐波次数。结果表明除了本设计需要的(1，-1)频率组合外，其他高次组合分量都非常小。

图7　高次谐波仿真结果

图8左图是2 125 MHz对应的中频输出信号，右图是2 605 MHz对应的中频输出。可知，镜频信号2 605 MHz输入接收通道系统时，其输出非常小，达到指标要求的镜频抑制度要求。

图8　镜频抑制结果

4结束语

本文描述的这种超宽带射频信号的接收方法，经过仿真分析对各项指标进行了验证。分析结果证明，本方法各项指标都达到了要求，能够有效地对2 100～2 350 MHz的射频信号进行下变频。本方法可以引用到其他频段的射频信号接收通道设计中，对超带宽的射频信号进行下变频。

参考文献

[1]QIU X Z,OSSIEUR P.Development of GPON upstream physical-media-dependent prototypes[J].Journal of Lightwave Technology,2004,22(11):2498-2508.

[2]贾锋,杨瑞民.射频接收前端的ADS设计与仿真[J].计算机工程与应用,2014(13):219-223.

[3]HAN S,LEE M S.Burst-mode penalty of AC-coupled optical receivers optimized for 8B/10B line code [J].IEEE Photonics Technology Letters,2004,16(7):1724-1726.

[4]OSSIEUR P,VERHULST D,MARTENS Y,et al.A 1.25-Gb/s burst-mode receiver for GPON applications [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2005,40(5):180-189.

[5]田玲,朱红兵,洪伟.超宽带射频接收机的研制[J].电子学报,2007(10):1838-1842.

Study and Simulation Analysis of A method for Receiving Ultra-wideband Radio Frequency Signal

LIANG Bo

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

Abstract:In the design of the radio frequency (RF) receiver,due to the limit of filter bandwidth and frequency resource,the bandwidth of usual receiver can not reach the ultra-wideband range of hundred MHz.This paper designs a new receiving method of ultra wideband RF signal,which uses five-channel power divider and selects reasonable RF devices to performs reception and frequency down-conversion to the RF signal of 250 MHz bandwidth effectively under the status satifying the signal index request,finally performs RF simulation analysis through ADS software,verifies that the main indexes of the method can meet the requirement.

Key words:radio frequency receiver;ultra-bandwidth;simulation analysis

收稿日期:2015-12-27

中图分类号：TN971

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0041-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.011