基于超外差变频结构接收机前端系统设计

韩喆，陈双，陈赵，戚磊

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

基于超外差变频结构接收机前端系统设计

韩喆，陈双，陈赵，戚磊

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

近年来无线通信技术获得了惊人的发展，而短波接收技术作为其中发展最为迅速的一个分支，已经广泛应用到人们生活中的各个领域，具有很高的研究与开发价值。接收机射频前端作为接收机重要组成部分，是接收机动态性能的关键部件，它工作于射频前置滤波器的后面。以接收机射频前端作为研究重点，采用超外差变频体系结构，结合数字频率合成技术，完成了GMSK接收机射频模拟前端系统的设计与实现。设计过程中所涉及到的技术，具有一定的创新和独到之处。

超外差变频体系，射频模拟前端，接收机

0　引言

无线接收机的功能是在强干扰和噪声存在的情况下能成功解调所需要的信号，接收功率是发射机与接收机之间的距离和周围的环境函数。接收天线从外界接收的电磁波，不能直接送入解调器解调，需要进行动态范围和噪声等的处理后才能解调。天线接收到的相应射频信号，先经过一个前置射频滤波器，然后就送入接收机的射频模拟前端，射频模拟前端的处理包括低噪声放大、自动增益控制、下变频、滤波和中频放大等过程。

1　系统设计

在本文的接收机设计中采用超外差体系结构，因为超外差体系结构通过适当的选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度，被认为是最可靠的接收机拓扑结构。超外差体系结构自发明以来被广泛使用，位于低噪声放大器LNA前面的射频滤波器用于衰减带外信号和镜像干扰。使用可调的振荡器，全部频谱就被下变频到一个固定的中频IF上，在下变频模块之前使用一个外部镜像干扰抑制滤波器，可以使镜像干扰被大大衰弱，达到可接受的水平，在下变频之后使用中频滤波器可以正常进行信道选择，也可以对后面的各个模块降低动态范围要求。超外差接收机双变频体系结构如图1所示。

图1　超外差接收机双变频体系结构

其中

本方案中GMSK接收机射频模拟前端系统设计采用超外差变频结构体系，设计内容主要包括低噪放大（LNA）、可变增益放大（VGA）、混频器、滤波、中频放大等部分的设计，总体方案如图2所示。

图2　设计中接收机体系结构

1.1LNA低噪声滤波器电路设计

LNA的作用是将接收机接收的-107dBm～37dBm微弱电波，进行放大后送到下一级。对于低噪声放大器，其噪声越小而增益越大时，特性越好。噪声指数NF，表示放大器的噪声特性。如图3所示，设某级放大系统的噪声指数为F（dB），该电路输入信号的信噪比为Si，输出信噪比为So，则F=Si-So。

图3　噪声指数计算示意图

各级噪声指数：F1 F2 F3……Fn

各级功率增益：G1 G2 G3……Gn

由图3可知，上式的总噪声指数，越靠后的项分母越大，项值越小，所以初级噪声指数F1对总体噪声指数的影响最大。具体设计时，LNA的增益与噪声指数要根据通信距离、天线、发射功率、系统要求与性能等制作电平图，据此设定。LNA电路是本接收机射频模拟前端系统的第一级放大电路，是整个系统性能的重要组成部分。如图4所示，为系统电路设计中完整的LNA电路模块。当采用8V电源供电时，调节可变电阻Rbias，可以实现系统要求的+28dBm的增益指标。直流电源供电（Vs），SGA6589Z芯片正常工作时要求电压为4.9 V（Vd），电流为80 mA（Id），因此，根据上式可计算出Rbias≈39Ω。

图4　SGA6589Z芯片连接图（LNA电路）

1.2可变增益放大电路设计

由于传输路径上的损耗和多径效应，接收机接收到的信号是微弱且变化的，为保证信号还原或处理结果的可靠性，在接收机射频前端频电路中通常都设计有可变增益放大（VGA）功能，使射频信号在接收机的中频输出稳定在一个很小的电平范围内。本接收机射频前端系统设计中采用ADI公司生产的AD8367芯片。在设计中可变增益放大电路主要包括AD8367基本连接、阻抗匹配和数字电位计（AD5160）3部分，其整体电路如下页图5所示。

图4中Cb1和Cb2是交流耦合电容，起隔离直流的作用。电感Lc为高频扼流圈，防止芯片引脚6端的高频信号进入电源支路，Lc的值越大阻碍性越强。电容C3用于形成高频回路，Lc虽然已阻碍高频信号流向上支路，但仍有一些射频信号会流入，因此，采用电容C3和地端形成高频回路，使这些的高频信号流回系统电路，C3的值越大越好。电容C1和C2起电源滤波作用。Rbias为偏压电阻，阻值大小由下式给出，在LNA电路中，采用8 V

图5　VGA电路设计原理图

AD8367是一款通用型VGA放大器，适用于大控制范围的压控增益应用，电路增益Av与控制电压Vgain成正比。由于AD8367的增益控制率50 dB/V，所以在Vgain以电压为单位时，电路增益Av可由此计算：Av=50Vgain-5，当电路的线性增益控制范围为-2.5 dB～+42.5 dB时，可由上式推算出Vgain所对应的取值范围为50mV～950mV。

1.3混频电路的设计

在通信电路中，混频实际上是一种频谱的线性搬移过程，它使信号从某一个频率变换成另一个频率，在射频系统中起着调制和解调的作用。在接收信号电路中，LNA和VGA将天线接收到的高频信号进行放大，混频器将该信号与本地振荡器输出信号进行混合。在接收机射频前端设计中，混频需将所接收的71MHz～109.5MHz射频信号均降低为10.7 MHz的中频信号。为达到频率的变换，在设计中混频器采用ADE芯片，该芯片的工作频率输入信号和本振信号是0.5 MHz～500 MHz，输出中频信号是DC-500MHz；它要求本振信号强度+7 dBm，输入信号强度最高+1 dBm；平均转换损耗为-5 dBm；LO-RF隔离度55dB、LO-IF隔离度40dB。

图6混频电路设计原理图

图6为该接收机射频模拟前端电路接收信号f1（71MHz～109.5MHz）第一次混频的情况。信号f0是本地振荡器产生的信号，f0=f1+10.7 M，即f0的动态范围为81.7 MHz～120.2 MHz。若将这两种信号ω0（本振信号）、ω1（输入信号）送入混频器，就会产生ω0-ω1、ω0+ω1、3ω1-ω0、3ω1+ω0、5ω1-ω0和5ω1+ω0六种频率成分，用滤波器取出所期望的ω0-ω1频率分量，即实现了信号的下变频。由于输入混频器的信号在一个频率范围内，为了直观表达，取一个频率点ω1=71 MHz，相对应取ω0=81.7 MHz，则混频后产生的6种信号：

ω2=ω0-ω1=81.7M-71M=10.7MHz

ω3=ω0+ω1=81.7M+71M=152.7MHz

ω4=3ω1-ω0=3×71M-81.7M=131.3MHz

ω5=3ω1+ω0=3×71M+81.7M=294.7MHz

ω6=5ω1-ω0=5×71M-81.7M=273.3MHz

ω7=5ω1+ω0=5×71M+81.7M=436.7MHz

混频时，送入混频器的是在一个频率点上的71 MHz中频信号，对应的本振信号需要81.7 MHz频率。同理，混频后产生10.7 MHz、152.7 MHz、131.3 MHz、294.7 MHz、273.3 MHz和436.7 MHz信号，然后用带通滤波器取出所需要的10.7 MHz信号即可。滤波时，采用压电陶瓷滤波器取出10.7 MHz的中频信号，同时也可滤除杂波并限制信号的频带。在本接收机射频模拟前端电路中，混频后进行中频滤波，此处选用SFECF10M型号的压电陶瓷滤波器芯片，中心频率为10.7MHz，3dB带宽为480kHz，输入输出阻抗330 Ω。系统的中心频率为满足设计中滤波器的设计指标。电路中的连接方式如图7所示，芯片输入和输出端各接一个外部电感和一个耦合电容，由于该芯片输入输出阻抗330 Ω，因此，采用外部电感和耦合电容构成LC匹配网路，使中频滤波电路更好的工作于50Ω系统中。

图7　压电陶瓷滤波器芯片在电路中的连接方式

2　结论

采用射频一体化矢量网络分析仪、计算机和可跟踪直流稳定电源对最终的接收机射频前端系统硬件实物进行性能测试。记录下波形中的典型值，再用MATLAB软件绘制相应波形。从图8中可以看出，中频滤波电路的心频率为10.7 M，3 dB带宽为480 kHz，具有良好的阻带抑制作用，可以保证系统的噪声性能，信号在带外衰减速度非常快，可以更好地抑制干扰噪声信号，电路的设计符合系统要求。

图8　中频滤波电路10.7MHz测试结果

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Design of Receiver RF Analogy Front-end System Based on Structure of Super Heterodyne

HANZhe，CHENShuang，CHENZhao，QI Lei
（China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China）

In recent years，the development of wireless communication technology has been developed，especially the shortwave reception technology is the most rapidly developing branch，which has a very high research and development value.Wireless communications technology has been widely applied to various fields of daily life.The receiver RF front end，as an important part of the receiver，is the key component of the dynamic performance.It works at the back of the RF filter.In this paper，as a focus on RF receiver，on the use of super heterodyne receiver dual conversion architecture，combined with digital frequency synthesis technology，completed the GMSK receiver RF front-end system design and implementation.Involved in the design process，has certain innovation and originality.

superheterodynereceiverdual conversionarchitecture，RF analogyfront-end，receiver

TN929.5

A

1002-0640（2016）10-0181-03

2015-08-13

2015-09-28

韩喆（1984-），男，江苏无锡人，硕士，工程师。研究方向：无线通信。