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法實(shí)時處理大量寬帶信息，因而無法滿足日益增長的應(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、短波信號快速捕獲監(jiān)測等“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)踐的一個重要研究內(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接收處理多路信號、降低系統(tǒng)響應(yīng)時間、提高復(fù)雜信號處理能力等優(yōu)勢，因此采用寬帶接收機(jī)作為短波信號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、時鐘等組成。射頻信道與射頻本振將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為ADC可以處理的中頻信號，并實(shí)現(xiàn)信道增益的自動控制（AGC）。FPGA通過計(jì)算ADC送來的數(shù)據(jù)發(fā)送信道控制命令，并與信號處理單元實(shí)現(xiàn)命令與數(shù)據(jù)的通信。時鐘部分除了為射頻本振與FPGA提供參考時鐘外，還提供一路基準(zhǔn)時鐘信號送至其它模塊作為工作基準(zhǔn)時鐘。
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管組成，在受到雷擊等強(qiáng)干擾時保護(hù)后級電路不被損壞；天線衰減電路由10dB、20dB兩級衰減網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)最大30dB的信號衰減，用微型繼電器切換控制；第一級射頻濾波采用九階橢圓低通級聯(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與射頻本振送來的本振信號相混頻，得到高中頻信號，采用四個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五階切比雪夫低通濾波器，以補(bǔ)償橢圓濾波器對高頻抑制的不足，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，同時具有較高的二階性能；中頻濾波器用于將所需的信號從寬帶頻譜中選擇出來，濾除無用的干擾，分兩級配置：一個置于第一級中頻放大器之前，對混頻器的輸出進(jìn)行預(yù)濾波，降低對放大器的要求，提升系統(tǒng)三階指標(biāo)；另一個濾波器置于第一級中頻放大器之后，利用良好的矩形系數(shù)實(shí)現(xiàn)對帶外無用信號的抑制，兩個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放大到數(shù)字信號處理單元所需的電平，共有四級放大電路：第一級、二級、四級放大器型號相同，噪聲系數(shù)3.5dB，增益16dB，第三級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；自動增益控制電路由兩級可控?cái)?shù)字衰減器組成，每級實(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90dB的控制量；功率分配電路將中頻信號分為兩路，一路送給本單元的ADC，一路送往數(shù)字信號處理單元。
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，這個信號的頻率使用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，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，以保證混頻器的三階性能對本振的需求，使用7階橢圓高通濾波器濾除本振信號的低頻端干擾。
2關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑
2.1多速率變頻處理技術(shù)
多速率信號處理是實(shí)現(xiàn)信號處理數(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，但從對軟件無線電的要求來看，帶通采樣的帶寬越寬越好，這樣對不同信號會有更好的適應(yīng)性，可以簡化系統(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)流速率也會很高，這樣會導(dǎo)致后續(xù)的信號處理速度難以跟上。特別是對寬帶多路信號處理，其計(jì)算量大，數(shù)據(jù)吞吐率太高很難滿足實(shí)時性要求，這樣就必要對A/D后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理。多速率信號變頻處理技術(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)上是對采樣后離散序列的重采樣過程，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，有利于信號的實(shí)時處理，簡化濾波器的設(shè)計(jì)。
2.2多相濾波技術(shù)
多速率信號處理的核心目的是在不改變信號攜帶信息的條件下降低信號的流速率，以減輕對信號處理器件的運(yùn)算速度的壓力，來最大化地提高系統(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)直接影響著整個系統(tǒng)的接收性能。對信號進(jìn)行多速率處理時，要在信號的抽取之前和信號的插值之后進(jìn)行信號的限帶濾波。抽取是信號頻譜擴(kuò)展的過程、插值是信號頻譜壓縮的過程，若不進(jìn)行限帶濾波，則抽取后信號頻譜在周期延拓?cái)U(kuò)展的過程中將會引起頻譜的混疊造成信號的改變，使信號信息產(chǎn)生變化；同理，插值的過程沒有限帶時，也將會使冗余信息壓縮進(jìn)信號的頻譜中，造成信號攜帶信息的改變，使信號失真。濾波器分別放置在抽取器之前和內(nèi)插器之后。而這兩個位置恰恰是信號流速率相較另一側(cè)更高的一端，這會增大信號處理的運(yùn)算量。對限帶濾波器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)算是在對信號進(jìn)行抽取之后進(jìn)行，這就降低了原信號的信號流速率，使后續(xù)對信號處理過程的運(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，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
短波寬帶多路接收技術(shù)是目前發(fā)展起來的一種新技術(shù)，在短波快速選頻建鏈、短波信號監(jiān)測等方面獲得了很好應(yīng)用。如國內(nèi)最新發(fā)展起來的具有頻譜感知和快速信號檢測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、多頻點(diǎn)快速同步探測，實(shí)時感知頻譜，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過通信效能分析，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
