射頻前端模塊性能關(guān)系到整個(gè)接收機(jī)的性能。本文通過對(duì)接收機(jī)進(jìn)行研究，分析了超外差接收機(jī)的特點(diǎn)，提出了一種采用PLL技術(shù)的接收機(jī)的射頻前端方 案，及對(duì)射頻前端的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析。并通過軟硬件平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測本地振蕩信號(hào)和接收機(jī)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比后表明系統(tǒng)指標(biāo)達(dá)到要求。該射頻接收前 端具有高靈敏度、低噪聲、穩(wěn)定的中頻輸出、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，對(duì)其它移動(dòng)通信終端(如GSM、CDMA)的研究有著非常重要的參考價(jià)值。

1、引言

現(xiàn)代無線通信始于19世紀(jì)末的無線電通信，在20世紀(jì)初到70年代，無線電通信技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用，它為人類提供了一種嶄新的通信手段。無線通信讓人們實(shí)現(xiàn)了地球距 離甚至是星球距離的通信，無線通信不只延伸了人類的通信距離，而且以電子技術(shù)、微處理技術(shù)進(jìn)步為基礎(chǔ)的無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，也向人們昭示--以無限制 自由通信為特征的個(gè)人通信時(shí)代是人類通信的未來。

如何實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的無線射頻接收機(jī)終端是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)意義的工作，無線射頻接收機(jī)終端的設(shè)計(jì)對(duì)其它移動(dòng)通信終端(如GSM、CDMA)的研究有著非常重要的參考價(jià)值。它要求現(xiàn)在無線通信射頻接收機(jī)在保證極高的靈敏度的前提下，盡可能的提高接收機(jī)的線性度，使信號(hào)失真最小，誤碼率最低，盡可能的展寬接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，使接收機(jī)的適應(yīng)性更大，抗干擾能力更強(qiáng)。

2、接收機(jī)總體功能描述

超外差結(jié)構(gòu)自從1977 年由Armstrong 發(fā)明以來，已被廣泛采用.超外差接收機(jī)[3]系統(tǒng)如圖一所示：

圖1、超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)

接受到的信號(hào)在第一次下變頻模塊之前使用一個(gè)外部鏡像干擾抑制濾波器，可以使鏡像干擾大大削弱，達(dá)到一個(gè)可以忽略鏡像頻率的水平，在下變頻以后使用中頻濾波 器可以進(jìn)行正常的信道選擇。第二次下變頻后通常是解調(diào)出正交的兩路信號(hào)，使得同相的和正交的兩路信號(hào)在數(shù)字處理部分變得容易，在本設(shè)計(jì)中通過解調(diào)器將信號(hào) 還原成I/Q 兩路基帶信號(hào)，并采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大輸出。最后得到的信號(hào)可以送入ADC 中采樣，經(jīng)后級(jí)的DSP處理恢復(fù)出原始信號(hào)。

在超外差式接收機(jī)中，第一次混頻前的高頻放大器必須是低噪聲放大器，因?yàn)樽冾l器的噪聲系數(shù)一般都比較大，而RF 帶通濾波器和鏡頻抑制濾波器是無源濾波器，有一定的損耗，按多級(jí)線性系統(tǒng)級(jí)聯(lián)的噪聲公式：

(1)

得知，如果沒有低噪聲放大器，則整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)將很大。因此在變頻器前引入具有一定增益的低噪聲放大器可以減弱變頻器和后面的中頻放大器的噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而對(duì)提高靈敏度有利。

超外差體系結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)?shù)倪x擇中頻濾波器和鏡像濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈敏度，被認(rèn)為是最可靠的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但需要付出一些成本以獲得充分的性 能。鏡像干擾抑制和信道選擇所需要的外部高Q 帶通濾波器增加了成本和尺寸。本設(shè)計(jì)采用超外差式結(jié)構(gòu)的接收機(jī)，主要是因?yàn)橹蓄l信號(hào)比載頻低很多，在中頻段實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信道的選擇要比在載頻段實(shí)現(xiàn)信道的選 擇容易很多，對(duì)濾波器Q 值的要求低很多。另外，采用超外差接收機(jī)方案，將接收機(jī)的總增益分散到射頻，中頻和基帶上，系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提高。

3、接收機(jī)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

3.1、接收機(jī)前端放大及混頻電路的實(shí)現(xiàn)

本部分我們需要進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：

(1)低噪聲放大器必須有很低的噪聲，合適的增益，高的三階互調(diào)截點(diǎn)及低的功耗。

(2)混頻器應(yīng)有高的三階互調(diào)截點(diǎn)及低的噪聲。對(duì)本振信號(hào)的泄露抑制要好。

(3)好的靈敏度和高的動(dòng)態(tài)范圍。

LNA 采用AD 公司的ATF 系列低噪聲放大器。低噪聲放大器是射頻接收機(jī)前端的主要部分。首先，位于接收機(jī)的最前端，就要求它的噪聲越小越好。為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，還 要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真，所以它的增益又不宜過大。低噪聲放大器必定是一個(gè)小信號(hào)線性放大器。所選取的低噪放工作 帶寬為450MHz 到6GHz，噪聲系數(shù)在0~4GHz 內(nèi)小于1 個(gè)dB，在2GHz 內(nèi)小于0.5dB。

實(shí)測電路中LNA 的增益為18dB，噪聲系數(shù)估算出小于1dB。

超外差接收機(jī)需要外接鏡頻抑制濾波器來濾除鏡像頻率干擾，因?yàn)殓R像頻率無法在中頻濾波器中被濾掉，如果鏡像干擾被混頻后進(jìn)入到帶內(nèi)，對(duì)有用信號(hào)的影響是非常 大的，所以在本設(shè)計(jì)中為了消除鏡像干擾，在變頻器前加入了高Q 值的濾波器，同時(shí)還可以也可以濾除由于LNA 的非線性引入的各種互調(diào)失真干擾。 第一次下變頻，采用性能指標(biāo)穩(wěn)定的SYM-25DHW 混頻器，其插入損耗為9dB，三階交調(diào)為30dBm?；祛l后采用的是高性能的SAW 濾波器，其具有體積小、抗電磁干擾性能好、頻率選擇性、溫度穩(wěn)定性能良好等突出優(yōu)點(diǎn)。

為了滿足系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度的要求，信號(hào)在通過LNA 后，設(shè)計(jì)了增益控制鏈路。該鏈路由驅(qū)動(dòng)放大器和AGC 構(gòu)成。通過后端的功率檢測，當(dāng)小功率信號(hào)接收下來時(shí)，通過改變AGC 的控制電壓減小衰減量，當(dāng)大功率信號(hào)接收下來時(shí)增加衰減值，以提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。如下圖所示：

圖2、AGC 電路原理圖

3.2、接收機(jī)本振鎖相環(huán)路的設(shè)計(jì)

圖3、瑣相環(huán)原理圖

接收機(jī)通過混頻實(shí)現(xiàn)射頻變頻到基帶，而且采用的是超外差式結(jié)構(gòu)的接收機(jī)，因此在本設(shè)計(jì)中我們需要設(shè)計(jì)兩個(gè)本振源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本振信號(hào)頻率精度和穩(wěn)定度高，相位噪聲小，所以選擇鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)本振生成。鎖相環(huán)是一種建立在相位負(fù)反饋基礎(chǔ)之上的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)相位噪聲和雜散具有很好的抑制作用，在電視，儀器，通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該接收機(jī)本振設(shè)計(jì)我們采用ADI 公司的瑣相環(huán)系列芯片做本振的設(shè)計(jì)，其可應(yīng)用于無線射頻通信系統(tǒng)，是性價(jià)比很高的電荷泵鎖存芯片。

在設(shè)計(jì)中，通過編寫程序由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)提供給瑣相環(huán)的CLOCK，DATA 和LE 信號(hào)，在頻率合成器芯片內(nèi)部完成參考晶振R 分頻和壓控振蕩器N 分頻相位的比較，并且轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線性電壓后，經(jīng)過3 階環(huán)路濾波器濾出高頻干擾信號(hào)后，得到一個(gè)穩(wěn)定電壓來控制壓控振蕩器的輸出，最終的信號(hào)頻率通過兩個(gè)鎖相芯片被分別鎖定在第一和第二本振頻率上。

圖4、第二本振的瑣相環(huán)入瑣過程

從圖4，第二本振的入鎖過程我們可以看到瑣相環(huán)的入鎖時(shí)間在40us 左右，滿足要求。采用單片機(jī)提供鎖相的控制字的優(yōu)點(diǎn)就在于：利于及時(shí)修改，便于操作。下面是本振的實(shí)際電路圖，包括第一本振鎖相芯片和第二本振鎖相芯片，其共用一個(gè)10MHz 的晶振：

圖5 實(shí)際的第一、第二本振電路圖 3.3、解調(diào)

接收機(jī)解調(diào)部分采用AD 公司的解調(diào)芯片，該芯片工作頻率從50MHz 到1000MHz，包括正交下變頻器，內(nèi)置可控增益放大器和偏置電路。其內(nèi)置VGA，控制電壓由外部提供并可調(diào)增益大小，增益可調(diào)范圍為44dB。

輸入芯片的中頻信號(hào)為了滿足芯片的輸入功率要求，加入了功率驅(qū)動(dòng)放大鏈路，經(jīng)放大后輸入解調(diào)芯片的功率約為-40dBm 左右。因?yàn)榻庹{(diào)芯片對(duì)第二本振信號(hào)內(nèi)置了二分頻器，所以第二本振信號(hào)頻率應(yīng)該是所需頻率的兩倍。

輸出的I/Q 兩路信號(hào)分別再經(jīng)過運(yùn)放電路進(jìn)行放大，最終輸出給數(shù)字基帶部分進(jìn)行處理。

4、實(shí)際測試結(jié)果

實(shí)際測時(shí)，輸入信號(hào)頻率為831MHz，通過在單片機(jī)編寫控制字程序設(shè)置第一本振和第二本振的輸出頻率，第一次混頻后得到的中頻信號(hào)頻率為140MHz，第二次混頻后解調(diào)輸出頻率為1MHz 的I/Q 兩路信號(hào)。本振的輸出信號(hào)如下圖所示：

圖6、(a)第一本振輸出(b)第二本振輸出

可以看到鎖相環(huán)完成頻率鎖定，第一本振鎖定在691MHz，因?yàn)榻庹{(diào)芯片對(duì)第二本振信號(hào)內(nèi)置了二分頻器，故第二本振設(shè)計(jì)鎖定在278MHz。從圖中可知輸 出信號(hào)雜散均小于-70dBc，鎖相芯片在它要求的頻率上工作正常，設(shè)計(jì)的結(jié)果也符合了系統(tǒng)對(duì)PLL 本振電路的要求。在鎖相環(huán)輸出信號(hào)之后，加入一個(gè)衰減網(wǎng)絡(luò)，使輸入到混頻器和解調(diào)芯片的本振信號(hào)功率滿足器件輸入功率要求。

接著對(duì)整機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果如下：

圖7、實(shí)際解調(diào)輸出信號(hào)

解調(diào)輸出后得到信號(hào)頻率為1MHz 的基帶信號(hào)。固定AGC 增益值的情況下，即此時(shí)衰減值固定為0dBm，改變輸入射頻信號(hào)的功率，每增加10dBm，輸出I/Q 信號(hào)功率增加約為10dBm，整機(jī)線性度[10]良好，注意此時(shí)應(yīng)該在較低功率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸入功率，保證輸出I/Q信號(hào)功率不會(huì)過大。經(jīng)測試，接收機(jī)的最小可接收檢測信號(hào)功率約-118dBm。

在 接收機(jī)中，解調(diào)輸出I/Q 兩路平衡是非常重要的指標(biāo)。由于接收機(jī)信道特性不同，本振信號(hào)相位誤差等諸多的因素都會(huì)導(dǎo)致I/Q 兩路基帶信號(hào)增益不平衡。若I/Q 失配，則會(huì)導(dǎo)致I/Q 誤碼率增高，嚴(yán)重影響解調(diào)性能。在本設(shè)計(jì)中，在選取芯片、設(shè)計(jì)電路中充分考慮到此問題，實(shí)際I/Q 兩路輸出基本做到了平衡輸出。

5、結(jié)論

本文研究了使用PLL 的接收機(jī)原理和實(shí)現(xiàn)方案，并成功的用軟硬件平臺(tái)對(duì)其實(shí)現(xiàn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于成功的運(yùn)用兩個(gè)鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)第一、二本振信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果表明鎖相環(huán)有鎖定時(shí)間短，相位噪聲小，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)測結(jié)果表明接收機(jī)性能良好，指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)代射頻接收機(jī)主要是向高線性、大動(dòng)態(tài)范圍，高靈敏度，高分辨率等方面發(fā)展。如何采取有效的方法來提高接收機(jī)的抗干擾能力，降低超外差式接收機(jī)的成本，使得整體性能得以改進(jìn)，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)方向，對(duì)接收機(jī)的研究有著非常重要的意義。