寬帶多路前端接收電路設(shè)計(jì)

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摘要：隨著短波通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)以硬件劃分信道為主的短波寬帶接收模式無(wú)法實(shí)時(shí)處理大量寬帶信息，因而無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。短波寬帶多路接收技術(shù)提供了目前短波快速選頻建鏈、短波信號(hào)快速捕獲監(jiān)測(cè)等“熱門”應(yīng)用的解決方案。文章運(yùn)用短波寬帶多路接收技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于短波通信的寬帶多路前端接收電路，明確了前端接收電路概要框圖、射頻信道和射頻本振鎖相環(huán)電路組成等，同時(shí)討論了設(shè)計(jì)中需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案。

關(guān)鍵詞：短波通信；短波寬帶接；多相濾波

0引言

短波通信寬帶多路接收技術(shù)是當(dāng)前理論和工程實(shí)踐的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。涉及快速ADC變換、多速率變頻處理、多相濾波、快速信息檢測(cè)等諸多關(guān)鍵技術(shù)需研究和克服。但因短波寬帶接收模式可同時(shí)接收處理多路信號(hào)、降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、提高復(fù)雜信號(hào)處理能力等優(yōu)勢(shì)，因此采用寬帶接收機(jī)作為短波信號(hào)前端逐步成為短波通信的主要發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的一種基于短波通信的寬帶多路前端接收電路，綜合考慮了前端非線性、多相濾波、低噪聲放大、自動(dòng)增益控制、帶外干擾濾除、高靈敏度等指標(biāo)的綜合權(quán)衡，是短波寬帶接收機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)的“第一道”關(guān)口，對(duì)提高短波寬帶接收性能具有重要意義。

1設(shè)計(jì)方案

由射頻信道、射頻本振、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、處理與控制FPGA芯片、電源、時(shí)鐘等組成。射頻信道與射頻本振將接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC可以處理的中頻信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)信道增益的自動(dòng)控制（AGC）。FPGA通過(guò)計(jì)算ADC送來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送信道控制命令，并與信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)命令與數(shù)據(jù)的通信。時(shí)鐘部分除了為射頻本振與FPGA提供參考時(shí)鐘外，還提供一路基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)送至其它模塊作為工作基準(zhǔn)時(shí)鐘。

1.1射頻信道

包括保護(hù)電路、天線衰減電路、射頻濾波、高線性混頻、兩種帶寬中頻濾波、中頻放大、AGC控制電路和功率分配電路。保護(hù)電路由氣體放電管與鉗位二級(jí)管組成，在受到雷擊等強(qiáng)干擾時(shí)保護(hù)后級(jí)電路不被損壞；天線衰減電路由10dB、20dB兩級(jí)衰減網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)最大30dB的信號(hào)衰減，用微型繼電器切換控制；第一級(jí)射頻濾波采用九階橢圓低通級(jí)聯(lián)和五階切比雪夫低通濾波器，濾除帶外干擾；為提升系統(tǒng)的靈敏度指標(biāo)，射頻部分配置了一款高線性平衡低噪聲放大器，增益9dB,噪聲系數(shù)1.5dB，輸出IP3為40dBm；高性能混頻器實(shí)現(xiàn)前端輸入的射頻信號(hào)與射頻本振送來(lái)的本振信號(hào)相混頻，得到高中頻信號(hào)，采用四個(gè)MOSFET構(gòu)成環(huán)形混頻器，非線性指標(biāo)優(yōu)異，輸出IP3在35dBm以上；在混頻器的前端加入一個(gè)五階切比雪夫低通濾波器，以補(bǔ)償橢圓濾波器對(duì)高頻抑制的不足，可獲得較高的鏡像和中頻抑制；為了改善中頻信號(hào)的信噪比，在中頻濾波器之前配置了一款單邊低噪聲放大器，增益6dB，噪聲系數(shù)1.6dB，輸出IP3為38dBm，同時(shí)具有較高的二階性能；中頻濾波器用于將所需的信號(hào)從寬帶頻譜中選擇出來(lái)，濾除無(wú)用的干擾，分兩級(jí)配置：一個(gè)置于第一級(jí)中頻放大器之前，對(duì)混頻器的輸出進(jìn)行預(yù)濾波，降低對(duì)放大器的要求，提升系統(tǒng)三階指標(biāo)；另一個(gè)濾波器置于第一級(jí)中頻放大器之后，利用良好的矩形系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶外無(wú)用信號(hào)的抑制，兩個(gè)濾波器疊加后的響應(yīng)應(yīng)滿足射頻信道的頻率響應(yīng)平坦度要求；中頻放大器用于將濾波器選出的信號(hào)放大到數(shù)字信號(hào)處理單元所需的電平，共有四級(jí)放大電路：第一級(jí)、二級(jí)、四級(jí)放大器型號(hào)相同，噪聲系數(shù)3.5dB，增益16dB，第三級(jí)高增益放大器采用可配置增益放大器，以方便生產(chǎn)調(diào)試；自動(dòng)增益控制電路由兩級(jí)可控?cái)?shù)字衰減器組成，每級(jí)實(shí)現(xiàn)31dB的衰減量，1dB的衰減步進(jìn)，共實(shí)現(xiàn)最大62dB的衰減，可與天線衰減器一起共實(shí)現(xiàn)超過(guò)90dB的控制量；功率分配電路將中頻信號(hào)分為兩路，一路送給本單元的ADC，一路送往數(shù)字信號(hào)處理單元。

1.2射頻本振

射頻本振鎖相環(huán)電路框圖如圖3所示，由參考鎖相環(huán)與本振鎖相環(huán)組成。標(biāo)頻采用81.92MHz恒溫晶體振蕩器（OCXO），頻率穩(wěn)定度可達(dá)1×10-8/d，具有優(yōu)良的相位噪聲性能。參考鎖相環(huán)用于產(chǎn)生本振鎖相環(huán)的參考頻率。壓控振蕩器Ⅰ采用壓控晶體振蕩器（VCXO）產(chǎn)生高頻譜純度的本振參考信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的頻率使用PLL芯片中的整數(shù)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，由分頻器、VCXO、鑒相器及環(huán)路濾波器構(gòu)成的參考鎖相環(huán)鎖定在基準(zhǔn)頻率上，其與標(biāo)頻的關(guān)系為：fr=128×(8192÷125)=16.777216MHz（鑒相頻率為131.072kHz）；本振鎖相環(huán)為射頻信道提供混頻用的本振信號(hào)，要求步進(jìn)達(dá)到1Hz，誤差0.01Hz（1×10-8）；采用PLL芯片的小數(shù)環(huán)設(shè)計(jì)，環(huán)路射頻頻率16分頻后輸出，16Hz的步進(jìn)要求小數(shù)分頻器的步進(jìn)最小為:16777216÷16=1048576=220（20位最大數(shù)為1048575），即小數(shù)分頻器的小數(shù)分頻模位數(shù)需達(dá)到21位以上，方可滿足要求；本振信號(hào)頻率與本振參考頻率的關(guān)系為：FL=(N.F×16.777216MHz)÷16=63.078～93.078MHz，其中N.F為小數(shù)分頻比。射頻本振鎖相環(huán)的輸出采用寬帶低噪聲放大器，為射頻信道混頻器提供電平達(dá)+17dBm的本振信號(hào)，以保證混頻器的三階性能對(duì)本振的需求，使用7階橢圓高通濾波器濾除本振信號(hào)的低頻端干擾。

2關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

2.1多速率變頻處理技術(shù)

多速率信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理數(shù)字化的關(guān)鍵，雖然采樣定理的應(yīng)用降低了所需的射頻采樣速率，但從對(duì)軟件無(wú)線電的要求來(lái)看，帶通采樣的帶寬越寬越好，這樣對(duì)不同信號(hào)會(huì)有更好的適應(yīng)性，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。提高采樣速率可提高采樣量化的信噪比，但采樣后的數(shù)據(jù)流速率也會(huì)很高，這樣會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的信號(hào)處理速度難以跟上。特別是對(duì)寬帶多路信號(hào)處理，其計(jì)算量大，數(shù)據(jù)吞吐率太高很難滿足實(shí)時(shí)性要求，這樣就必要對(duì)A/D后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理。多速率信號(hào)變頻處理技術(shù)為這種降速處理的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上是對(duì)采樣后離散序列的重采樣過(guò)程，抽取和內(nèi)插是其基本環(huán)節(jié)，可將數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)分解成若干個(gè)不同相位的組，以提高抽取內(nèi)插器的計(jì)算效率，有利于信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，簡(jiǎn)化濾波器的設(shè)計(jì)。

2.2多相濾波技術(shù)

多速率信號(hào)處理的核心目的是在不改變信號(hào)攜帶信息的條件下降低信號(hào)的流速率，以減輕對(duì)信號(hào)處理器件的運(yùn)算速度的壓力，來(lái)最大化地提高系統(tǒng)效能。而多相濾波器起著抑制鏡像干擾和鄰頻道干擾的重要作用，其設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的接收性能。對(duì)信號(hào)進(jìn)行多速率處理時(shí)，要在信號(hào)的抽取之前和信號(hào)的插值之后進(jìn)行信號(hào)的限帶濾波。抽取是信號(hào)頻譜擴(kuò)展的過(guò)程、插值是信號(hào)頻譜壓縮的過(guò)程，若不進(jìn)行限帶濾波，則抽取后信號(hào)頻譜在周期延拓?cái)U(kuò)展的過(guò)程中將會(huì)引起頻譜的混疊造成信號(hào)的改變，使信號(hào)信息產(chǎn)生變化；同理，插值的過(guò)程沒有限帶時(shí)，也將會(huì)使冗余信息壓縮進(jìn)信號(hào)的頻譜中，造成信號(hào)攜帶信息的改變，使信號(hào)失真。濾波器分別放置在抽取器之前和內(nèi)插器之后。而這兩個(gè)位置恰恰是信號(hào)流速率相較另一側(cè)更高的一端，這會(huì)增大信號(hào)處理的運(yùn)算量。對(duì)限帶濾波器h[n]的Z變換進(jìn)行分析，H(z)可以轉(zhuǎn)化為如下形式：再根據(jù)抽取與濾波器之間的恒等變換，可以把抽取系統(tǒng)轉(zhuǎn)化等效的多相形式。濾波器的運(yùn)算是在對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽取之后進(jìn)行，這就降低了原信號(hào)的信號(hào)流速率，使后續(xù)對(duì)信號(hào)處理過(guò)程的運(yùn)算量大大的降低了。這就體現(xiàn)出了多相濾波形式的一大優(yōu)勢(shì)，并且還可以根據(jù)后續(xù)處理的要求，采取不同的多相形式來(lái)提高系統(tǒng)的效率，節(jié)省了系統(tǒng)的內(nèi)部資源。

3結(jié)語(yǔ)

短波寬帶多路接收技術(shù)是目前發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，在短波快速選頻建鏈、短波信號(hào)監(jiān)測(cè)等方面獲得了很好應(yīng)用。如國(guó)內(nèi)最新發(fā)展起來(lái)的具有頻譜感知和快速信號(hào)檢測(cè)能力的短波建鏈技術(shù)，依托了寬帶并行多路接收機(jī)進(jìn)行本地噪聲監(jiān)測(cè)、多頻點(diǎn)快速同步探測(cè)，實(shí)時(shí)感知頻譜，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)通信效能分析，實(shí)現(xiàn)了兩點(diǎn)間的頻率快速優(yōu)選與建鏈，提高了短波通信建鏈成功率和建鏈速度。本文設(shè)計(jì)的短波通信寬帶多路前端接收電路，可為工廠、研究所、高等院校等提供借鑒和參考。

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作者：陳飄滌 單位：武漢瑞豐通訊設(shè)備有限公司