ADS-B自适应干扰抑制接收机射频端的设计

胡铁乔，刘 亮

（中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300）

低空空域中各种干扰信号日益复杂及信息的公开，使得ADS-B 信号极易受到干扰[1]。在民航领域，干扰信号主要包括欺骗性干扰和压制式干扰。目前，国内外的ADS-B 接收机大多没有干扰抑制能力[2]。中国一些研究机构和设备公司正在展开对于ADS-B 自适应干扰抑制接收机的研制，如中国民航局第二研究所、中国电子科技集团公司第28 研究所等机构。因此，研制一款ADS-B 自适应干扰抑制接收机对于中国ADSB 系统的发展具有重要意义。在ADS-B 干扰抑制接收机中，射频端作为阵列天线和干扰抑制处理平台之间的纽带，接收信号的质量直接影响干扰抑制处理平台抑制的干扰效果，是接收机工作中重要的组成部分。

目前，ADS-B 自适应干扰抑制接收机的研究还处于起步阶段。市面上的射频端大多是单通道的，存在噪声系数大、通道之间不具备一致性等问题，无法满足ADS-B 干扰抑制接收机的需求。文献[3-4]提出了单通道二次混频ADS-B 接收机射频端的设计方法，二次混频使射频端的噪声更小，但射频端的信道选择性差，且射频端为单通道，无法满足ADS-B 干扰抑制接收机的需求。文献[5]中提出了单通道一次混频ADSB 接收机射频端，该射频端的中频滤波器采用低通滤波器，使得通道内的噪声和低频干扰严重，由于该射频端为单通道，也无法满足ADS-B 干扰抑制接收机的需求。

针对以上ADS-B 干扰抑制接收机射频端的研究现状，设计并实现了一种满足ADS-B 自适应干扰抑制接收机功能需求的八通道射频端，各通道之间具有通道一致性，并基于希尔伯特变换的复相关系数和相位差的求解方法测试了通道一致性。经过测试，该射频端的8 个通道幅度和相位稳定、噪声系数低，满足ADS-B 自主式干扰抑制接收机需求，实用性较强。

1 接收机射频端设计方案

该射频端采用一次下变频的超外差结构的设计方案。在通道一致性上，利用锁相环输出端射极耦合差分放大电路和功分器，实现本振信号幅度、相位差的稳定，从而使射频端8 个通道的幅度、相位差稳定。为减小射频端的噪声：在射频电路部分，对射频放大器进行阻抗匹配和偏置电路的设计；在中频电路部分，设计了中心频率为10 MHz、带宽为4 MHz 的5 阶巴特沃斯带通滤波器。对接收机射频端设计指标和结构的具体阐述如下。

1.1 设计指标

设计的射频端通道数为8，可用于接收十字阵和线阵的ADS-B 信号。根据ADS-B 自适应干扰抑制接收机的实际工作环境及性能需求，分析得出ADS-B干扰抑制接收机射频端的具体设计指标，如表1 所示。

表1 射频端设计指标Tab.1 Design specifications of RF terminal

1.2 设计结构

ADS-B 自适应干扰抑制接收机射频端采用超外差结构，1 090 MHz ADS-B 信号经过1 次变频到10 MHz ADS-B 信号，采用四级放大器。为了保持每个通道器件性能一致，采用模块化的设计[6]，每两个通道在1 个射频端PCB 板上，4 个射频端PCB 板构成8 个通道。ADS-B 自适应干扰抑制接收机射频端的结构，如图1所示。

图1 ADS-B 干扰抑制接收机射频端结构图Fig.1 Structure diagram of RF terminal of ADS-B interference suppression receiver

该ADS-B 干扰抑制接收机射频端主要由两大模块组成：第1 部分为本振控制及供电模块，主要包括电源、频率合成器、MSP430 单片机、HMI 触摸屏、功分器；第2 部分为ADS-B 射频端通道模块，主要包括射频低噪声放大器、射频滤波器、混频器、可编程衰减器、中频放大器、中频滤波器（带通滤波器）。本振上用2 个两路功分器分出四路本振信号送给4 块射频板，射频板用1 个功分器将本振信号供给射频板2个通道。每个通道上加入衰减器保持通道间幅度一致。

2 接收机射频端关键组件设计

2.1 射频放大器电路设计

射频放大器选的是Qorvo 公司的芯片SPF5189Z。SPF5189Z 芯片的噪声系数为0.55 dB，频率范围为50 MHz～4 GHz，增益为17.7 dB。在Qorvo 公司官网上下载SPF5189Z 的S2P 文件，导入ADS 射频仿真软件原理图中，得出SPF5189Z 芯片输入、输出阻抗史密斯圆图，如图2 所示。在1.090 GHz 时，SPF5189Z 芯片的输入阻抗为37.069-j7.436，输出阻抗为64.476-j9.572。

图2 史密斯圆图Fig.2 Smith chart

将史密斯匹配阻抗工具插入SPF5189Z 芯片两端。设置特征阻抗值为50 Ω，设置SPF5189Z 芯片的输入、输出阻抗值，并在放大器输入、输出端串联隔直电容、并联滤波电感。设置电容和电感的值使史密斯圆图中的阻抗匹配轨迹到1，如图3 所示。

根据输入阻抗匹配的方法，对输出阻抗进行匹配，得到输入、输出匹配阻抗的元器件参数值为C1=10.102 pF，L1=12.362 nH，C2=5.178 5 pF，L2=23.158 nH。现实中，电容和电感不可能有小数，电容一般是±10%精度范围，电感一般是±20%精度范围，在误差范围内取E-12 和E-24 工业标准规格。最终得到输入、输出匹配阻抗的元器件参数值为C1=10 pF，L1=12 nH，C2=5 pF，L2=23 nH。

图3 输入端阻抗匹配轨迹图Fig.3 Matching trace diagram of input impedance

在偏置电路设计中，加了2 个1 uF 的滤波电容对+5 V 电源滤波，在直流电源上串联1 个220 nH的电感，防止放大器中的射频信号泄漏到直流电源。射频放大器电路如图4 所示。

图4 射频放大器的电路图Fig.4 Circuit diagram of RF amplifier

2.2 巴特沃斯带通滤波器电路设计

在中频滤波器的设计中，设计中心频率为10 MHz、带宽为4 MHz 的5 阶巴特沃带通滤波器，设计流程如下。

其中，N 为滤波器的阶数，k=1，2，…，N。

求出C1=0.618 03 F，L2=1.618 03 H，C3=2 F，L4=1.618 03 H，C5=0.618 03 F。得到归一化π 形巴特沃斯低通滤波器原理图，如图5 所示。

图5 归一化巴特沃斯低通滤波器原理图Fig.5 Schematic diagram of normalized Butterworth low pass filter

2）射频系统中传输线特征阻抗[7]为50 Ω。先设计出截止频率为4 MHz、特征阻抗为50 Ω 的π 形巴特沃斯低通滤波器，利用截止频率变换公式和特征阻抗变换公式来计算。

截止频率变换公式如下

得到截止频率为4 MHz、特征阻抗为1 Ω 的π 形5 阶巴特沃斯低通滤波器元器件参数值，C1= 2.459 ×10-8F，L2=6.438×10-8H，C3=7.958×10-8F，L4=6.438×10-8H，C5=2.459×10-8F。

特征阻抗变换公式如下

得到截止频率为4 MHz、特征阻抗为50 Ω 的π 形5 阶巴特沃斯低通滤波器元器件参数值，C1=4.918×10-10F，L2= 3.219 × 10-6H，C3= 1.592 × 10-9F，L4=3.219×10-6H，C5=4.918×10-10F。

截止频率为4 MHz、特征阻抗为50 Ω 的π 形5阶巴特沃斯低通滤波器原理图，如图6 所示。

图6 巴特沃斯低通滤波器原理图Fig.6 Schematic diagram of Butterworth low pass filter

3）根据低通滤波器到带通滤波器的频率变换电路进行电路的变换和元器件参数值的计算。两种类型频率变换电路，如图7 所示。

图7 两种类型频率变换电路Fig.7 Two kinds of frequency transformation circuits

图7（a）是Ⅰ型电路变换：低通的电容变化到带通为电容和电感的并联，即

其中：f0是带通滤波器的中心频率；w0是带通滤波器的中心角频率，w0=2π f0。

图7（b）是Ⅱ型电路变换：低通的电感变化到带通为电容和电感的串联，即

经过Ⅰ型、Ⅱ型电路变换，得到中心频率为10 MHz，带宽为4 MHz，特征阻抗为50 Ω 的π 形5 阶巴特沃斯带通滤波器元器件参数值如表2 所示（取E-12 和E-24 工业标准规格[8]）。

表2 巴特沃斯带通滤波器元器件参数值Tab.2 Parameter values of Butterworth bandpass filter components

中心频率为10 MHz，带宽为4 MHz、特征阻抗为50 Ω 的π 形5 阶巴特沃斯带通滤波器的原理图，如图8 所示。

2.3 本振电路设计

2.3.1 本振输出匹配设计

本振电路采用的是ADF4351 芯片，芯片内部有集成的VCO，利用锁相环可方便实现锁相及本振输出，输出端采用NPN 差分对的集电极。VCO 经过分频器后，经过射极耦合差分放大电路，得到相位差相反的差分信号，保证本振的输出相位差稳定。用3.9 nH 的扼流电感和4 组0.1 uF、0.01 uF 电容对3.3 V 电源进行滤波，在输出口串联1 nF 电容隔直通交。每路输出经过2 路0°的功分器MAPDCT0020，将输出端分成4 路，将本振信号的幅度保持一致。本振输出端匹配电路，如图9所示。

图8 中心频率为10 MHz，带宽为4 MHz 巴特沃斯带通滤波器Fig.8 Butterworth bandpass filter（central frequency is 10 MHz，bandwidth is 4 MHz）

图9 本振输出端匹配电路Fig.9 Local oscillator output matching circuit

2.3.2 环路滤波器设计

环路滤波器采用RC 低通滤波器，利用ADS 软件对环路滤波器进行设计。环路滤波器设计指标：环路带宽为10 kHz，相位裕度为45°，其电路图如图10 所示。环路滤波器的相位裕度图，如图11 所示。在锁相环带宽为10 kHz 时，相位裕度为45.46°。

图10 环路滤波器电路Fig.10 Loop filter circuit

图11 相位裕度Fig.11 Phase margin

2.4 射频端硬件实现

在Altium designer 中进行PCB 设计，各个通道中每个器件对应的位置尽量相同，制成ADS-B 自适应干扰抑制接收机射频端实物，如图12 所示。

图12 ADS-B 自适应干扰抑制接收机射频端Fig.12 RF terminal of self-adaptive ADS-B interference suppression receiver

3 接收机射频端性能测试

3.1 噪声系数和增益测试

对噪声系数的测试，采用增益控制法[9]，表示如下

其中：NF 为噪声系数；P 为输出端噪声的功率谱密度；Gain 为信道增益，信道带宽为4 MHz。利用HP 公司83832A 信号发生器和鼎阳公司SSA 3021X 频谱分析仪测得第1～8 通道增益和噪声系数，如表3 所示。符合增益80 dB、噪声系数3 dB 的设计指标。

表3 第1～8 通道增益和噪声系数Tab 3 Gain and noise ratio of Channel 1～8

3.2 通道一致性测量

以射频端第1 通道为基准，计算其余7 个通道相对于第1 通道的复相关系数及相位差。用信号发生器产生连续的带宽为2 MHz 的FM 信号。依次连接8 路功分器、ADS-B 接收机射频端、8 路采集卡，并利用阵列信号采集软件采集数据。在Matlab 中对每个通道信号进行希尔伯特变换，求取其余7 个通道信号相对于第1 通道信号的复相关系数和相位差。相位一致性测量流程图，如图13 所示。

图13 相位一致性测量流程图Fig.13 Measurement flow chart of phase consistency

3.2.1 通道间复相关系数求解

复相关系数不受信号幅度的影响。在Matlab 中对每路信号进行希尔伯特变换后生成复信号，再代入到corr 函数，求取其余7 个通道信号相对于第1 通道信号复相关系数。

第1 通道与第2 通道的信号，如图14 所示。第1通道与第2 通道信号的复相关系数，如图15 所示。每组采取10 000 个采样点，共20 组进行测试，复相关系数取模值。图15 中，第1、2 通道信号的复相关系数几乎呈一条直线，复相关系数在0.98 以上，说明第1、2通道之间有很强的相关性。

第1 通道与其余7 通道之间复相关系数（20 组复相关系数取平均值），如表4 所示。表4 中每个通道信号与第1 通道信号之间的复相关系数均超过0.98，说明每个通道与第1 通道有极强的相关性。

图14 第1、2 通道的信号Fig.14 Signal of Channel 1&2

图15 第1、2 通道之间复相关系数Fig.15 Complex correlation coefficient between Channel 1&2

表4 第1 通道与其余7 通道复相关系数Tab.4 Correlation coefficient between Channel 1 and others

3.2.2 通道间相位差求解

基于希尔伯特变换的相位差测量方法[10]的原理如下，射频端每一路信号为s（t）。

第1 通道信号经过希尔伯特变换，即

第2 通道信号经过希尔伯特变换，即

第1、2 通道之间的相位差表示为

取10 000 个采样点，以第1 通道为基准，其余7个通道和第1 通道在每个采样点上进行希尔伯特变换，求取相位差。第1 通道与第2 通道之间的相位差，如图16 所示。10 000 个采样点的相位差误差在0.002°，通道1 和通道2 的相位差固定为2.061°。

图16 第1、2 通道之间的相位差Fig.16 Phase difference between Channel 1&2

根据第1、2 通道测试方法，求其余6 个通道对第1 通道的固定相位差，如表5 所示。图16 及表5 表明射频端有较好的通道一致性，满足设计指标。

表5 第1 通道与其余7 通道相位差Tab.5 Phase difference between Channel 1 and others

4 结语

针对ADS-B 干扰抑制接收机的需求，设计并实现了基于超外差式的ADS-B 自适应干扰抑制接收机射频端。利用锁相环输出端射极耦合差分放大电路和功分器，使得射频端的8 个通道的幅度、相位差稳定。测试结果表明，通道之间的复相关系数达到0.98 以上，通道间的幅度、相位差稳定，噪声系数小于3 dB，该射频端性能指标符合设计要求，可靠性好、实用性较强，满足ADS-B 干扰抑制接收机的需求，为ADS-B 干扰抑制接收机的研制奠定了一定的基础。