宽带多路前端接收电路设计

1、宽带多路前端接收电路设计摘要：随着短波通信技术的，传统以硬件划分信道为主的短 波宽带接收模式无法实时处理大量宽带信息，因而无法满足日 益增长的应用需求。 短波宽带多路接收技术提供了目前短波快 速选频建链、短波信号快速捕获监测等“热门 应用的解决方 案。文章运用短波宽带多路接收技术，设计了一种基于短波通信的宽带多路前端接收电路，明确了前端接收电路概要框图、 射频信道和射频本振锁相环电路组成等，同时讨论了设计中需要攻克的关键技术和解决方案。J 关键词 : 短波通信；短波宽带接；多相滤波J短波通信宽带多路接收技术是当前理论和工程的一个重要研究内容。涉及快速ADC 变换、多速率变频处理、多相滤 波、快

2、速信息检测等诸多关键技术需研究和克服。但因短波宽 带接收模式可同时接收处理多路信号、降低系统响应时间、提 高复杂信号处理能力等优势，因此采用宽带接收机作为短波信号前端逐步成为短波通信的主要方向。本文设计的一种基于短波 通信的宽带多路前端接收电路，综合考虑了前端非线性、多相 滤波、低噪声放大、自动增益控制、带外干扰滤除、高灵敏度 等指标的综合权衡，是短波宽带接收机硬件电路设计的“第一道” 关口，对提高短波宽带接收性能具有重要意义。1设计方案J由射频信道、 射频本振、 模数转换器ADC 、处理与控制 FPGA芯片、电源、时钟等组成。射频信道与射频本振将接收 到的射频信号转换为 A DC 可以处理的

3、中频信号，并实现信道增 益的自动控制(AGC)o FPGA 通过计算 ADC 送来的数据发送信道控制命令，并与信号处理单元实现命令与数据的通信. 时钟部 分除了为射频本振与FPGA 提供参考时钟外， 还提供一路基 准时钟信号送至其它模块作为工作基准时钟 1 射频信道包括保护电路、天线衰减电路、射频滤波、高线性混频、 两种带宽中频滤波、中频放大、AGC控制电路和功率分配电路。保护电 路由气体放电管与钳位二级管组成，在受到雷击等 强干扰时保护后级电路不被损坏；天线衰减电路由10dB、20 dB两级衰减网络串联而 成，实现最大30d B 的信号衰减，用微型继电器切换控制；第一级射频滤波采用九阶椭圆低

4、通级联和 五阶切比雪夫低通滤波器，滤除 带外干扰 ; 为提升系统的灵敏度 指标，射频部分配置了一款高线性平衡低噪声放大器，增益9dB,噪声系数1.5dB,输出IP3为4 0 dBm;高性能混频器实现前端输入的射频信号与射频本振送来的本振信号相混频，得到 高中频信号，采用四个 SFET构成环形混频器，非线性 指标优 异，输出 IP3 在 35dBm 以上 ; 在混频器的前端加入一个五阶切比 雪夫低通滤波器， 以补偿椭圆滤波器对高频抑制的不足， 可获 得 较高的镜像和中频抑制；为了改善中频信号的信噪比，在中频 滤波 器之前配置了一款单边低噪声放大器，增益 6 dB,噪声系数lo 6 dB, 输出

5、IP3 为 3 8dBm, 同时具有较高的二阶性能 ; 中 频滤波器用于将所 需的信号从宽带频谱中选择出来，滤除无用的干扰，分两级配置：一个置于第一级中频放大器之前，对混 频器的输出进行预滤波，降 低对放大器的要求，提升系统三阶 指标 ; 另一个滤波器置于第一级中 频放大器 Z 后，利用良好的矩形 系数实现对带外无用信号的抑制，两个滤波器叠加后的响应应满足射频信道的频率响应平坦度要求；中 频放大器用于将滤波器选出的信号放大到数字信号处理单元所需的电平，共有四级放大电路：第一级、二级、四级放大器型号相同，噪声系数3. 5dB,增益16dB,第高增益放大器采用可配置增益放大器，以方便生产调试; 自

6、动增益控制电路由两级可控数字衰减器组成，每级实现 3 1 dB 的衰减量， ldB 的衰减步进， 共实现最大62dB 的衰减，可与天线衰减器一起共实现超过9 0 dB 的控制 量；功率分配电路将中频信号分为两路，一路送给本单元的 ADC, 一路送往数字信号处理单元。j 1 o 2 射频本振射频本振锁相环电路框图如图 3 所示，由参考锁相环与 本振锁相环组成。标频采用 8 1. 92M 恒温晶体振荡器（ OC XO ） ,频率稳定度可达 lxlO-8/d, 具有优良的相位噪声性能。 参考锁相环用于产生本振锁相环的参考频率。 压控振荡器I 采 用压控晶体振荡器（ VCXO ）产生高频谱纯度的本振参

7、考信号， 这个信号的频率使用 p LL 芯片中的整数锁相环实现，由分频 器、 VCXO 、鉴相器及环路滤波器构成的参考锁相环锁定在基 准频率上，其与标频的关系为： fr= 1 28x=l 6o 7 772 1 6M （鉴相频率为 13 1。 072k） ；本振锁相环为射频信道提供混频 用的本振信号，要求步进达到1,误差0.01（ 1x1 0-8） ； 采用PLL 芯片的小数环设计，环路射频频率1 6 分频后输出 ,16 的步 进要求小数分频器的步进最小为 ： 1 6 7 7721 6 - 1 6= 1 04 8 576= 2 20（ 20位最大数为 1 0 485 7 5） , 即小数分频器的

8、小数分频模位数需达到 21位以上，方可满足要求；本振信号频率与本振 参考频率的关系为：FL=A16=6 3 o 078? 9 3 o 0 7 8 M,其中No F 为小数分频比。 射频本振锁相环的输出采用宽带低噪声放大器，为射频信道混频器提供电平达17dBm 的本振信号，以 保证混频器的三阶性能对本振的需求，使用 7 阶椭圆高通滤波器滤除本振信号的低频端干扰。2 关键技术及解决途径2. 1多速率变频处理技术J多速率信号处理是实现信号处理数字化的关键，虽然采样定 理的应用降低了所需的射频采样速率， 但从对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽越宽越好，这样对不同信号会有更好 的适应性，可以简化系统

9、设计. 提高采样速率可提高采样量化的 信噪比，但采样后的数据流速率也会很高， 这样会导致后续的信 号处理速度难以跟上。特别是对宽带多路信号处理，其计算量 大，数据吞吐率太高很难满足实时性要求，这样就必要对A/ D 后的数据流进行降速处理。多速率信号变频处理技术为这种 降速处理的实现提供了理论依据，该技术实质上是对采样后离散序列的重采样过程，抽取和内插是其基本环节，可将数字滤波器的转移函数分解成若干个不同相位的组，以提高抽取内插器的计 算效率，有利于信号的实时处理, 简化滤波器的设计。2o 2 多相滤波技术阳多速率信号处理的核心目的是在不 改变信号携带信息的条件下降低信号的流速率，以减轻对信号处

10、理器件的运算速度的压力，来最大化地提高系统效能 . 而多相滤 波器起着抑制镜像干扰和邻频道干扰的重要作用，其设计直接影响着整个系统的接收性能 . 对信号进行多速率处理时，要在信号的抽取 Z 前和信号的插值 Z 后进行信号的限带滤波 . 抽取是信 号频谱扩展的过程、插值是 信号频谱压缩的过程，若不进行限带 滤波，则抽取后信号频谱在周期延拓扩展的过程中将会引起频谱的混叠造成信号的改变，使信号信息产生变化；同理，插值的过程没有限带时，也将会使冗余信息压缩进信号的频谱中，造成信号携带信息的改变, 使信号失真。滤波器分别放置在抽取器之前 和内插器之后。而这两个位置恰恰是信号流速率相较另一侧更 高的一端，这会增大信号处理的运算量。对限带滤波器h n 的Z变换进行分析，H可以转化为如下形式：再根据抽取与滤波器之 间的恒等变换， 可以把抽取系统转化等效的多相形式。滤波器 的运算是在对信号进行抽取Z 后进行，这就降低了原信号的信号 流速率，使后续对信号处理过程的运算量大大的降低了。这就体现出了多相滤波形式的一大优势，并且还可以根据后续处理的要求，采取不同的多相形式来提高系统的效率，节省了系统的内部 资源。阳短波宽带多路接收技术是目前起来的一种，在短波快 速选频建链、短波信号监测等方面获得了很好应