基于软件无线电跳频电台射频前端的研究

1、第19卷第11期电子设计工程Vol.19No.11ElectronicDesignEngineering2011年6月Jun.2011基于软件无线电跳频电台射频前端的研究朱敏超，赵利（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）摘要：基于软件无线电的基本要求和发展趋势，提出了一种应用在软件无线电跳频电台中宽频段接收机的前端电路设计方案，分析了接收机射频前端二次混频方案结构的可行性，在对方案中各功能模块研究分析的基础上，完成了射频前端的滤波器、混频器、放大器等各模块的设计工作，并对整个系统进行了建模设计和仿真验证。仿真结果表明，接收机前端电路噪声系数低，镜像抑制良好，增益合理，选择性合

2、适，均满足设计要求。关键词：软件无线电；超外差；射频前端；ADS中图分类号：TP393.03文献标识码：A文章编号：16746236（2011）11-0001-03ResearchonRFfrontendsofhoppingradiobasedonsoftwareradioZHUMin-chao，ZHAOLi（CollegeofInformationandCommunication，GuilinElectronicUniversityofTechnology，Guilin541004，China）Abstract：Basedontheelementalrequirementsanddevelo

3、pmentofsoftwareradio，thepaperproposesadesignscheme，whichisappliedtothewide-frequencyreceiveroffrequencyhoppingradioofsoftwareradio，whatsmore，thepaperanalyseswhetherthesecondarymixingschemeoftheRFfrontendscanworkornot，andamodelofthesystemisbuiltandverifiedthroughsimulating.Moreover，differentfunctionm

4、odules，thefilter，themixeraswellastheamplifieroftheRFfrontendsaredesignedtomeettheneedofthereceiverslownoisecoefficient,goodinhibitingofmirroring，thepropergainandrightselectivity.Keywords：softwareradio；superheterodyne；RFfrontends；ADS随着DSP技术的发展，电子器件制作工艺的提升，A/D、混频的结构，整个射频前端系统的设计增益为110dB，系统噪声为3dB。其原理框图如

5、图1所示。由图1可以看出，选频滤波器后的放大器为低噪声放大器（LNA），LNA的噪声系数对整个系统的噪声系数起决定性的作用。设计时在增益、噪声系数、动态范围、VSWR、稳定性等指标之间进行平衡。第一级混频通过PLL改变第一级本振频率，以接收不同信道的射频信号，经下变频把接收信号搬移到中频为70MHz、频率带宽为10MHz的频带上。D/A的取样速率越来越高，无线电台中的数字处理不断往射频前端推进，信道可重构的能力不断得到提升，系统可以直接从中频采样，进行数字信号处理1。本方案接收机射频前端系统基于软件无线电理论来设计和实现，以达到建立一个通用化、标准化、模块化的接收机射频前端系统仿真平台的目标。

6、以实现接收机射频前端系统低噪声系数，小的互调失真，大的动态范围和镜像抑制，良好的AGC，足够的增益和正确的选择性等设计要求2。通过对接收机射频前端的设计方案可行性分析和利用射频电路仿真软件ADS3-4进行系统建模设计与参数仿真，实现接收机射频前端电路设计的系统性能。1射频前端系统方案设计及可行性分析本接收机射频前端主要任务是对信号进行滤波、混频、图1接收机射频前端原理框图放大的功能，并对系统可能受到的镜像干扰频率、互调干扰频率进行抑制。系统功能模块主要包括滤波器、混频器、放大器及本振等。系统工作频率范围为100150MHz，其中每5Fig.1BlockdiagramofRFfront-endr

7、eceiver在此过程中，混频器是一个非线性器件，会引入大量交调分量，使得混频后出现大量的组合干扰频率点，对有用信号造成严重的干扰，直接影响着接收机性能7。声表波中频滤10MHz带宽作为一个信道用于跳频调制6，采用超外差二次收稿日期：2011-03-11稿件编号：201103064基金项目：广西壮族自治区研究生科研创新项目（2010105950810M10）作者简介：（1986），男，。研究方向：射频通信。电子设计工程2011年第11期波器针对混频可能出现的镜像频率干扰，进行对中频信号高品质的频率选择性滤波，达到提高镜像频率抑制的设计目标。第二级混频把中频为6575MHz的频带信号搬移到2.1

8、射频前端系统建模与性能仿真及分析射频前端系统建模设计运用ADS2008软件对接收机射频前端建模，设置各模块1020MHz，如图2所示（虚线为一次混频镜像频率，灰色为第二次混频镜像频率）。由于其工作频率相对较低，二次混频后的频带信号经过自动增益控制放大器级联放大产生72dB左右的增益，其高增益也更容易实现、更稳定8。参数，选频滤波器针对输入射频信号100150MHz进行滤波。LNA噪声系数3dB,增益24dB，锁相环输出本振信号分别为175、185、195、205、215MHz。SAW中频滤波器中心频率为70MHz，频率带宽10MHz。一次混频和二次混频后中频放大器分别产生28dB和72dB增益

9、，如图3所示。2.2射频前端系统频带选择性仿真接收机射频前端系统的频带选择性的性能，主要由射频图2频谱及镜像分析图前端的选频网络所决定。采用传统LC滤波器，通过调节第一级本振的输入频率，改变选频网络的中心频率，设置本振为Fig.2Spectrumandimageanalysischart图3接收机射频前端系统仿真框图Fig.3BlockdiagramofreceiverRFfront-endsystemsimulation195MHz，实现对120130MHz射频信号的下变频处理。在ADS中搭建第一级混频电路模块的仿真原理图。由图4可以看出，接收机在123MHz处最大增益为20.827dB，也

10、就是真电路图是一次混频系统原理图，其中本振频率LO=195MHz。信道选择性仿真结果如图5所示。由图5可以看出，信号在120MHz处系统有最大增益约为13.46dB；通频带为10MHz，增益在11dB以上。接收信号都集中在信道带宽10MHz范围内，带内波动很小，避免了接收到的信号产生非线性失真。邻道抑制达到-43dB左右，满足系统设计指标。LNA的增益减去滤波器的插入损耗。选频滤波器能很好对240290MHz镜像干扰信号进行抑制。图4选频网络S参数仿真Fig.4SimulationoffrequencyselectivenetworkSparameters图5信道选择性仿真2.3射频前端系统信

11、道选择性仿真信道选择功能主要由声表波SAW中频滤波器完成。仿Fig.5Simulationofselectivity2朱敏超，等2.4基于软件无线电跳频电台射频前端的研究表1部分模块增益和插入损耗本振输出功率对射频前端系统性能影响的仿真设置接收机射频前端系统的输入信号功率RF_pwr=LNAGainTab.1GainandinsertionlossMixer6dBSAW12dBIFAmp28dBIFFilter3dBIFAmpCascade72dB-110dBm，当一本振功率LO_pwr从-3010dBm变化时（间隔为1dBm），接收机输出功率与LO_pwr之间的关系如图6所示。由图6可以看出

12、，输出功率电平随着本振输出功率的增加逐渐增大，当本振功率大于-3dBm，输出功率才逐渐趋于稳定。对于接收机而言，希望尽可能的提高本振输出功率以达到更高的增益，但是这与系统的低功耗又相矛盾，需要根据系统设计性能指标在尽可能高的中频输出功率和系统低功耗之间权衡。Loss24dBRFFilter3dB图6本振输出功率对中频输出功率影响的仿真图7射频前端系统增益仿真Fig.6SimulationresultofIFoutputpowerwithchangesintheoscillatoroutputpowerFig.7SimulationofRFfront-endsystemgain2.6射频前端系统

13、频域响应特性仿真从图8的仿真结果可以看到本方案接收机能够按照设2.5射频前端系统功率增益仿真为了能够正常地接收信号，不被接收到的噪声和接收机计预期将射频信号的频谱搬移到系统设计中频的频带范围内，也就是接收机射频前端系统的频域响应特性实现了设计的要求。图8可以直观地看到输入频率信号的功率谱、一次变频后中频输出信号功率谱和接收机射频前端系统输出的频率谱。中频15MHz输出的频率点频率成分单一，谐波得到很好抑制，不会对所需信号造成干扰。本身产生的噪声所淹没，就要求接收机必须产生合适的输出功率电平来使器件正常工作。考虑到器件的自身损耗，本方案设计系统整体功率增益在110dB左右，如表1所示。系统功率增

14、益预算仿真结果如图7所示，系统整机的功率增益在116dB左右，满足设计指标要求。图8系统频域响应特性仿真Fig.8Simulationofthesystemfrequencyresponsecharacteristics3结束语本文在软件无线电系统理论基础上，对宽带接收机射频参考文献：1扬小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用M.北京：电子工业出版社，2001.前端系统采用超外差式二次混频结构，建立了一个通用化、标准化、模块化的接收机射频前端系统仿真平台。从性能仿真结果可以看出，该方案能够很好地应用在软件无线电射频前端电路中可以达到设计要求。2范博.射频电路原理与实用电路设计M.北京：机械

15、工业出版社，2006.3陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解射频电路设计与仿（下转第7页）朱永娇，等基于遗传聚类的无线传感器负载均衡路由算法onSystemSciences，2000:10-20.5刘新华，李方敏，旷海兰，等.一种基于负载均衡的无线传感器网络分布式定向分簇算法J.计算机研究与发展，2009，46（12）:2044-2052.LIUXin-hua，LIFang-min，KUANGHai-lan，etal.Adis-tributedanddirectedclusteringalgorithmbasedonloadbal-anceforwirelesssensornetworkJ.C

16、omputerResearchandDevelopment，2009，46（12）:2044-2052.图3不同算法节点消亡速率比较Fig.3Comparisononthenodesdeathrateofvariousalgorithms6潘志芳，章勇，刘大伟.一种链式分簇的无线传感器网络路由协议J.传感器与微系统，2009，28（6）:10-12，15.4结束语笔者提出一种负载均衡的无线传感器网络路由算法，充PANZhi-fang，ZHANGYong，LIUDa-wei.Energy-eficientchain-clusterroutingprotocolforwirelesssensorn

17、etworksJ.TransducerandMicrosystemTechnologies，2009，28（6）:10-12，15.7AkhtarkavanE，ShalmaniMTM.Energyadaptivecluster-headselectionforwirelesssensornetworksusingcenterofen-ergyMassC/Proceedingsof13thInternationalCSIComputerConference（CSICC2008），KishIsland，Iran，2008:130-137.8苏锦旗，薛惠锋，詹海亮.基于划分的K-均值初始聚类中心优化

18、算法J.微电子学与计算机，2009，26（1）:8-11.分结合了K均值算法的局部搜索特性与遗传算法的全局寻优能力，利用遗传聚类思想以确定最优簇数，并对无线传感器网络进行优化分簇，使得各不同簇间负载趋于均衡。仿真实验表明，该算法可有效均衡节点能量消耗和延长网络生存时间，与其他分簇路由算法相比，其网络寿命延长了约43%。参考文献：1沈玉龙，徐启建，裴庆，等.基于栅格的无线传感器网络路由方法J.通信学报，2009，30（11A）:96-100.SUJin-qi，XUEHui-feng，ZHANHai-liang.K-meansinitiallclusteringcenteroptimalalgor

19、ithmbasedonpartitioningJ.Microelectronics&Computer，2009，26（1）:8-11.9朱思峰，王华东，魏荣华.一种新型免疫遗传算法J.计算机工程与应用，2009，45（36）:29-31.SHENYu-long，XUQi-jian，PEIQing，etal.WirelesssensornetworkroutingmethodbasedongridJ.JournalonCommu-nications，2009，30（11A）:96-100.2赵彤，郭田德，杨文国.无线传感器网络能耗均衡路由模型及算法J.软件学报，2009，20（11）:3023-

20、3033.ZHUSi-feng，WANGHua-dong，WEIRong-hua.Immunege-neticalgoithmbasedonantibodyJ.ComputerEngineeringandApplications，2009，45（36）:29-31.10HeinzelmanW，ChanrakasanA，BalakrishnanH.Anappli-cation-specificprotocolarchitectureforwirelessmicrosensornetworksJ.IEEETrans.OnWirelessCommunications，2002，1（4）:660-67

21、0.11陶文兵，田金文，柳健.基于遗传算法和模糊熵的前视红外图像分割J.红外与毫米波，2003，22（6）:465-468.ZHAOTong，GUOTian-de，YANGWen-guo.Energybalanc-ingroutingmodelanditsalgorithminwirelesssensornet-workJ.JournalofSoftware，2009，20（11）:3023-3033.3黄琛，房鼎益，陈晓江.传感器网络中基于非均匀分簇负载均衡路由算法J.计算机应用研究，2009，26（9）:3475-3477.HUANGChen，FANGDing-yi，CHENXiao-jiang.Novelload-balancedroutingalgorithmformulti-hopsensornetworksJ.ApplicationResearchofComputers，2009，26（9）:3475-3477.4HeinzelmanWR，Ch