宽带中频下变频系统的研究与设计

王志林 张军

第一作者简介：王志林（1981-），男，工程师。研究方向为通信总体设计。

*通信作者：张军（1980-），男，硕士，高级工程师。研究方向为试验通信总体设计。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.004

摘  要：在用于卫星通信系统的接收机的设计中，需要减少地面通信中心站上中频段变频的数量，扩大接收机系统的动态范围，以充分利用卫星转发器资源。采用ATMega128作为可编程控制器，ADF4360-8产生本振信号源，AD8343芯片作为混频器，AD8367芯片作为VGA控制器芯片，构成逻辑架构。设计并实现一种低失真宽带中频下变频器，具有时分多用、操作灵活方便等特点。

关键词：变频本振频率；ADF4360-8；频率合成；AD8367；动态范围

中图分类号：TN92        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）15-0017-04

Abstract： In the design of satellite communication system receivers， it is necessary to reduce the number of intermediate frequency （IF） converters at the ground communication center station and expand the dynamic range of the receiver system to fully utilize the satellite transponder resources. By employing the ATMega128 as a programmable controller， ADF4360-8 for generating the local oscillator （LO） signal source， AD8343 as the mixer， and AD8367 as the variable gain amplifier （VGA） controller chip， a logical architecture is constructed. A low-distortion wideband IF down-converter is designed and implemented， featuring time-division multiplexing （TDM）， flexible operation， and convenience.

Keywords： frequency conversion LO frequency; ADF4360-8; frequency synthesis; AD8367; dynamic range

卫星通信系统中每个卫星转发器的带宽为36 MHz，带宽分为6个频段，每个频段的带宽为6 MHz。通过规划可以重用每个频段中的载波数量，从而形成多载波调制信号，可以满足多用户的需求。在多用户卫星通信系统中，为了降低接收机的采样频率，提高接收机的采样稳定性和可靠性，由卫星通信中心站的中频（IF）下转换变频器对射频（RF）变频输出的70 MHz中频信号的频率进行处理，然后将信号发送到接收器，由ADC进行采样。本机振荡器（LO）的信号频率通常为固定配置，70 MHz信号直接下变频到所需频率。然而在多用户系统中，接收前中频信号的频率在一定的带宽内，滤波电路不易设计，接收机的频率偏移难以设置。

由于CDMA系统的特点及多普勒效应等因素，C波段（本文以C波段卫星通信系统为例）下变频器输出的信号存在一定的带宽。为了充分利用卫星转发器频率资源，尽量减少卫星通信中心站的硬件数量，对RF下变频后的IF下变频有了新的要求：IF下变频系统具有带内平坦度，带宽在1 dB以内为36 MHz，可满足卫星转发器资源的需求，减少卫星通信中心站的硬件数量；本机振荡器频率随输入IF信号频率的变化而变化，以保持输出频率稳定在15 MHz（15 MHz的频率设置为接收机ADC前的频率），可以在输出端直接设计固定15 MHz频率的信号放大和滤波电路。来自C波段下变频器的输出信号的中心频率为70 MHz，信号带宽为36 MHz，来自RF下变频器的输出频率范围为52～88 MHz，因此，本机振荡器信号频率范围为67～103 MHz。此外，输出信号强度由VGA电路控制，以扩展接收机的动态范围，从而正常满足接收机中的捕获和跟踪。本文设計并实现了一种适用于多用户IF下变频系统，该系统具有稳定、小型化、方便等特点。

1  系统架构

通过卫星传输的信号，由C波段下变频器进行转换。IF信号检测后，将实际频率的指令发送给MCU，然后更新振荡器频率进行调整，以保持混频器输出频率保持在15 MHz。

IF下变频系统的结构主要包括射频滤波器、低噪声放大器、本机信号频率源、混频器、宽带变压器、自动增益控制（AGC）环路和低通滤波器等。

接收系统的噪声系数是一个重要指标，在IF下变频系统的这种模式下，混频器的噪声系数对整个系统的影响相对较大。混频器芯片采用AD8343，为了避免带内信号阻塞，LNA的最大增益不超过28 dBm。

插入的器件损耗越小，系统性能越好，前端采用低噪声放大器。高性能硅双极单片微波集成电路（MMIC）放大器MSA增益为18 dB，HPF7001的中心频率为70 MHz，带宽为40 MHz，是一种低损耗、高性能的表面声波（SAW）滤波器。它用于抑制高次谐波[1]，可以抵抗干扰图像信息、发射泄漏和各种寄生杂波，同时在滤波中可以实现高精度的幅频和相频特性[2]。

AD8343是一款高性能宽带有源混频器，在所有端口上都有很宽的带宽，互调失真非常低，宽带工作频率可达2.5 GHz，非常适合接收信道应用[3]。AD8343提供7 dB的典型转换增益。集成LO驱动器支持50 Ω差分输入阻抗和低LO驱动电平，这有助于最大限度地减少外部组件数量。

IF下变频系统的频率范围为67～103 MHz，带宽为36 MHz，相当于卫星转发器的带宽，为了不超过该频段的VCO范围，ADF4360-8的LO输出分为67～85 MHz和85～103 MHz 两个频段，这2个频段需要不同的外围电感值，ADF4360-8和外围电感之间使用了一个电子开关CD4053，该开关由MCU通过数字通道控制，从外部电感值中选择所需的不同频率。

2  可编程LO信号的产生方案

锁相环（PLL）用于可编程LO信号的产生方案。PLL是一种反馈相位控制系统，通常由相位检测器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，PLL的框图如图1所示。

锁相环的性能取决于外部噪声和内部噪声的影响，通常通过环路滤波器将噪声过滤掉，PLL的频率/相位响应曲线如图2所示，其中频率偏移为0，采样率为2 400 Hz，模式中使用单个载波，相位偏移在1～2π之间随机分布。

图2  PLL的频率/相位响应曲线

相位噪声直接影响通信系统的误码率（BER），为了提高相位噪声性能，本文增加了相位检测频率，但这种情况下PLL频率的步进精度会降低。PLL的相位噪声可由式（1）估计。

Ntotal=Nsyn+10log fPFD+20logR ，（1）

式中：Ntotal是PLL的系统噪声的总和，Nsyn是频率合成器中的芯片噪声（对于ADF4360-8，Nsyn=-216 dBc/HzN），fPFD是检测到的相位频率，R是分频系数。

ADF4360-8是一种高性能的PLL芯片，其集成了整数N合成器和压控振荡器（VCO），ADF4360-8中心频率由外部电感器设置，方便用户设计。其频率范围为65～400 MHz。VCO频率方程为

fVCO=B×fREFN/R ， （2）

式中：fVCO为VCO的输出频率，B是二进制13位计数器（3到8 191）的预设分频比，这使得可以生成仅由参考频率除以R隔开的输出频率，fREFN是外部参考频率振荡器。

ADF4360-8通过外部参考振荡器和控制信号完成配置，控制信号通过三线SPI接口模式设置3个内部寄存器：R寄存器，主要设置R计数器值、外部参考频率划分后的参考频率发送至鉴相器，以获得相位频率fPFD；C寄存器，主要设置信号输出功率电平以及MUXOUT端口的输出方式，以便于调试；N寄存器，主要设置B计数器值，决定输出信号频率。

ATMega128 MCU完全设置ADF4360-8配置，配置顺序：参考时钟→R寄存器→C寄存器→N寄存器，寄存器配置由数据信号数据线完成，当信号LE启用且时钟信号CLK受到有效控制时，数据信号数据线顺序写入，LE位处于逻辑“1”下表示负载，CLK每个上升沿上的数据从MSB（最高有效位）顺序写入24位移位寄存器，并将数据锁存到目标寄存器。

IF下变频系统的本机振频率随输入频率的变化而变化，以保持输出频率稳定在15 MHz，因此，ADF4360-8配置通过外部中断完成，以获得用于更新配置寄存器的频率值，ATMega128对ADF4360-8的主要配置流程图如图3所示。VCO的偏置电流将在C寄存器完成配置后开始构建，这需要大约15 ms才能稳定，因此需要至少15 ms的延迟时间才能到达N寄存器的配置，为了抑制杂散相位，可以使用更高的相位频率，因此，可以减少环路捕获时间和环路的相位噪声。图4显示了R、C、N 三个寄存器的写入数据时序图。

该系统使用10.0 MHz的TCXO外部晶振，其稳定性小于等于9.0 ppm；相位噪声小于等于-130 dBc/Hz；频率精度小于等于±1×10-7；ADF4360-8的最低输出频率由公式（3）得出，该结果由外部2个电感器的值确定，本机频率在67～103 MHz之间，确定外部电感值后，其频率范围为20 MHz。

F0=1/2π■ 。 （3）

在内部储能单元CP和VCO输入引脚V_Tune之间设计了环路滤波电路，带宽为100 kHz，图5为环路滤波电路示意图；图6为85 MHz本机信号频率的相位噪声曲线，本机频率从70 MHz按照每次5 MHz的幅度逐步增长到100 MHz，实际的输出见表1，由于被测量频谱分析仪的清晰度和PCB电路的因素，在一定程度上影响了被测量信号的频率精度。

图3  主程序流程图

图4  R、C、N三个寄存器的写入数据时序图

图5环路滤波电路

3AGC设计

AGC是一种扩展接收机前端动态范围的常用程序，由VGA芯片和控制电路组成反馈电路，本文采用VGA控制器芯片AD8367，该芯片具有高频段、500 MHz的3 dB帶宽、低噪声等特点。其最大增益可达45 dB。AD8367集成了方根律检测器，可检测输出信号电平并与内置电平进行比较，实现单回路AGC，此外，在功率受限的卫星通信系统中，接收链路需要更高的增益才能实现环路链路，当AD8367内部电路在最大增益下工作时，噪声系数处于7.5 dB的最小状态，噪声系数与工作增益值成反比，这样对接收系统有利。

图685 MHz本机频率的噪声曲线

表1本机频率从70 MHz以5 MHz的幅度增长到

100 MHz的实际输出

为了尽量减少插件的损耗，本文使用电容和电感来匹配AD8367中的匹配电阻，使其从200 Ω变为50 Ω，衰减6 dB，图7是输入（Input）和输出（Output）之间的匹配电路。

图7输入和输出之间的匹配电路

4结论

本文为了充分利用卫星通信系统中大量的转发器，同时减少卫星通信中心站中的硬件数量。设计并实现了一种本机频率可变的宽带下变频器，其输出频率保持在15 MHz，频率稳定可靠，有利于降低接收机的采样率，该系统具有体积小、结构简单、噪声低和功耗低等优点，各项指标均满足系统要求；AGC电路是基于AD8367设计的，扩展了系统的动态范围，有利于接收机信号的采集、跟踪，进而提高精度。本设计在射频电路系统中具有一定的参考价值。

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