一种用于软件无线电的接收机射频前端电路设计与实现
摘 要:设计了一种用于软件无线电的射频前端电路,该电路可工作于短波、超短波频段(3～89 MHz)。电路将天线接收的信号经过前端滤波、AGC、放大处理后,将输出信号稳定到2 V,直接送给下级进行A/D采样及基带处理。设计的核心是宽带AGC电路,采用了一种级联VGA的形式,较大地提高了AGC电路的动态范围和线性范围。经过硬件实测,该接收电路灵敏度能够达到-90 dBm,动态范围为70 dB,并且具有线性度高、噪声系数小等特点。
关键词:软件无线电; 射频前端; 自动增益控制; 可变增益放大器
中图分类号:TN911; TP274文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)15-0037-04
Research and Design of Receiver RF Front-end Circuit for Software Radio
DENG Ai1, GE Li-jia1, XU Zi-ling2, ZHU Lin1, SHUANG Tao1
(1.Chongqing Communication College, Chongqing 400035, China; 2.The Second Artillery Equipment Research Institute,Beijing 100085,China)
Abstract: A RF front-end circuit for software radio was designed, which can operate on short wave and ultra-short wave frequency band(3～89 MHz). The received signal from antenna turns the input signal to 2 V and then transforms to the next class-analog-to-digital converter circuit through front-end filtering, AGC and amplification processing. AGC is the core of the circuit, which takes a form of cascade VGAS and improves the dynamic range and linear range. Taking hardware practical test, the maximum sensitive is -90 dBm, the largest dynamic range is 70 dB, the system has good linearity and low noise figure.
Keywords: software radio; RF front-end; AGC; variable gain amplifier
收稿日期:2010-03-18
软件无线电要求通信系统的“全数字化”,也即宽带ADC(Analog-to-Digital Converter)和DAC(Digital-to-Analog Converter)向射频(RF)端靠近,同时要求开放的、可扩展的、模块化的软硬件平台体系结构,实现多频段、多模式、多业务、多个性[1]。典型的软件无线电主要包括射频前端(含天线),AD/DA,数字信号处理三部分。本文研究并实现了一种适用于上述软件无线电基本结构的射频前端电路(不包含天线),该射频前端电路具有灵敏度高、动态范围大、线性度好、噪声系数低、工作频段宽等特点。
1 接收机整体设计
由图1基本结构可以看出,适用于软件无线电的接收机射频前端电路较之传统接收机射频前端电路没有了混频单元,射频前端直接将天线接收的信号经过处理送给A/D转换单元[2]。这不仅对后续的A/D采样、基带处理提出了更高的要求,也对射频前端电路放大,稳定性等方面提出了新的挑战。接收机射频前端电路主要的任务是对天线接收到的信号进行选择性放大,提高接收信号的信噪比;同时,调整天线接收到的信号幅度,使其与A/D转换器的最佳输入范围一致,基本结构如图2所示:通常主要由带通滤波器、LNA、AGC电路等组成。
图1 软件无线电基本结构
图2 接收机射频前端功能框图
带通滤波单元初步滤除带外噪声干扰,提取有用信号。RF插入损耗、波纹、3 dB带宽、矩形系数、阻带抑制是带通滤波器要重点考虑的技术指标[3]。LNA单元主要完成对有用信号的前端放大,使信号能满足后级的各种需要,并尽最大可能提高信噪比。噪声系数,工作频段、线性范围,P1 dB压缩点等指标是LNA要重点考虑的技术指标。AGC(Automatie Gain Control)单元主要起到稳定信号幅度的作用,同时使信号幅度尽可能的符合A/D的需要,动态范围、响应时间是AGC设计的关键。
2 设计中重点考虑的几项技术指标
本设计要求接收机工作于短波/超短波频段即3～89 MHz,工作频段、灵敏度、线性范围、动态范围、噪声系数是设计中需要重点考虑的几项技术指标。
(1) 灵敏度
灵敏度定义为当接收机输出功率和输出信噪比一定时,天线上所需感应的最小电动势[4],它表示了接收机接收微弱信号的能力,灵敏度越高,则表示接收微弱信号的能力越强。
灵敏度(dBm)=10log(kT)+10log(BW)+SNR+NF
(1)
式中:当T=300 K时,10log(kT)=-173.8 dBm,BW为接收机带宽;SNR为接收机要达到的信噪比;NF为噪声系数[5]。接收机的灵敏度主要取决于整机总增益和内部噪声的大小,要提高灵敏度必须从这两方面下手。而总增益的提高与内部噪声的减小又是有联系的,系统总的噪声主要取决于前一、二级的内部噪声和增益的大小,因此必须采用具有特定性能指标的低噪声放大器(LNA)作为前端放大器。本设计要求灵敏度达到-90 dBm。
(2) 线性范围
线性范围是指使接收机信号不发生失真的线性工作范围,它由各级电路的线性工作范围共同决定[6]。放大是整个前端电路中非常重要的一个环节,由于软件无线电的接收通道是宽带的,通带内的非期望信号很多,因此,在软件无线电中不能用非线性放大器,而只能用线性放大器,否则就会引起许多非线性产物。线性范围是线性放大器的基本技术指标。
(3) 动态范围
动态范围在接收机中是由AGC电路实现的。AGC电路的动态范围是指输出电平在规定范围内时所允许的输入信号电平的变化范围[7]。输出电平变化一定时,相应的输入信号电平变化范围越大,则AGC的动态范围越大。本设计要求动态范围达到70 dB。
(4) 噪声系数
噪声系数是指放大器输入端的信噪比与输出端的信噪比之间的比值,即:
NF=(Psi/Pin)/(Pso/Pno)
(2)
式中:NF为噪声系数;Psi/Pin为输入信噪比;Pso/Pno为输出信噪比[3]。多级电路的噪声系数计算公式由式(3)给出:
F=F1+∑N-1i=1Fi+1-1∏ij=1=
F1+F2-1G1+F3-1G1G2+…+FN-1G1G2…GN-1
(3)
式中:F是等效的总噪声系数,Fi是第i级的噪声系数,Gi是第i级的放大增益。由公式可知,射频系统的噪声系数主要取决于第一级放大电路的噪声系数和功率增益。系统噪声系数F一定大于第一级电路的噪声系数F1。只要第一级电路具有较小的噪声系数和较高的功率增益,后面电路的噪声系数对系统的影响就不会太大。再次说明LNA的设计选择非常重要。
根据接收机要达到的几项关键技术指标,结合所选器件的参数性能,理论设计了接收机的整体增益分配框图,如图3所示,射频前端输出信号设计为2 V。
图3 接收机整体增益分配框图
为最大限度减少噪声以及前级噪声的逐级放大效应,在各级放大之间均加入了带通滤波器,滤波器的带内衰减折算为-2 dB。固定增益放大采用+20 dB的低噪声放大器,要求工作频段符合要求,噪声系数低,线性范围大。可控增益模块采用AGC架构,由VGA和功率检测芯片组成,VGA的输出范围要和功率检测芯片的输入范围匹配。接收机采用的具体结构根据所采用的具体芯片而决定,特别是AGC所处的位置,要根据VGA芯片和功率检测芯片的参数值决定,主要参考芯片输入输出范围,噪声系数,VGA芯片工作的线性范围,功率检测芯片的检测范围等。设计中要特别注意前级线性输出与后级线性输入的匹配,避免结构设计的缺陷带来的非线性失真。各模块均采用集成芯片,包括滤波器在内均采用贴片结构,这样有利于减少分立元件的分布参数带来的各种干扰,实现较高的性能指标。由增益分配框图可知,理论上该前端电路灵敏度能够达到-106 dBm,动态范围为96 dB。
3 AGC的设计
接收机工作时,由于无线电波传播中的多径效应和衰落等原因,天线上感应的有用信号强度往往有很大的起伏变化(可达60～80 dB),且在许多情况下信号强度的变化是随机的,甚至是快速的[10]。因此,为了避免接收机输出电平出现时强时弱、阻塞等现象的发生,无线电接收机中普遍采用自动增益控制电路,压缩有用信号强度的变化范围,以稳定接收机的输出电平。AGC模块是射频前端电路设计的关键所在,是实现接收机较高灵敏度和较大动态范围的核心,所以AGC模块必须重点考虑。
常规AGC电路的基本原理是输入信号通过一个可变增益放大器(VGA),输出信号的同时反馈到检测电路,检测电路的输出与一个设置参考电压合成差错信号,差错信号经过变换形成控制VGA增益的控制电压,从而改变VGA的增益,最终达到动态平衡。传统AGC电路基本框图如图4所示。
图4 AGC基本原理图
单片VGA芯片的动态范围通常较小,较高档的也只能达到40~50 dB,不能满足接收机对动态范围的要求。本设计为了提高AGC的动态范围和线性范围,采用了级联两片VGA芯片,共用一片检测芯片的方案,基本框图如图5所示。
图5 级联形式的AGC
从图5可以看出,两个VGA芯片采用串联形式,由一个检测芯片提供增益控制电压,形成反馈环。采用这种结构的优势是可以提高AGC的动态范围,理论上可提高两倍。同时,由检测芯片提供给VGA的增益控制电压,可采用滑动变阻器灵活设计分压网络,让级联的两个VGA提供不同的增益,使VGA更好地工作在线性区内。
AGC设计中,响应时间也是非常重要的一个技术指标,从输入信号电平开始变化到放大器增益做相应变化这一段时间,称为AGC电路的响应时间[8]。通常用AGC电路的时间常数τ=RC来表示。响应时间必须有一个折衷的考虑,既要对输入信号的幅度变化做出及时的反应,又要不改变信号本身所带有的幅度信息(如幅度调制)。响应时间由VGA和检测芯片共同决定。
检测芯片一般来讲有四种类型,如包络检测(Envelope Detector)、平方律检测(Square-law Detector)、均方根检测(True-RMS Detector)、对数检测(Log Detector)[9]。对于一般的信号选取四种检测法则均可以,因为检测芯片的输入信号一般处于连续的平均水平。但对于较大的突发性信号,四种法则的响应是不同的。
4 硬件实现与实测结果
射频电路设计中,PCB的制作非常关键,直接影响到电路所能达到的技术指标,要综合考虑元件的布局、布线,最大限度的减少干扰和节约成本。基于以上的分析,采用四层板设计并实际制作了接收机的硬件电路,其硬件PCB版图如图6所示。
图6 硬件PCB版图
对接收机的实际性能进行了实验室条件下的硬件实测,接收信号由信号源代替,将信号源通过有线方式连接到接收板,然后再用示波器测量,其基本测试环境如图7所示。
图7 测试环境图
实验室信号源能够产生0～89 MHz的信号,频率条件能够满足,幅度范围只有-56.02～+23.98 dBm,故采用了外加衰减器调整信号的幅度,达到调整输入信号动态范围和实现较小输入信号幅度的目的。
图8为输入信号为50 MHz,输入信号幅度为-50 dBm(已叠加衰减器)的输出波形。图9为输入信号为50 MHz,输入信号幅度为-70 dBm的输出波形。由图8,图9可知,输入信号频率相同,幅度不同,由输出波形可知AGC正常工作,射频前端电路工作良好。
图8 实测波形1
图9 实测波形2
图10为输入信号-10 dBm时的输出波形,由输出波形可知电路已达到饱和状态。图11为输入信号为-100 dBm时的输出波形,输出信号幅度明显减小,不能达到电路设计要求。
图10 实测波形3
图11 实测波形4
当固定输入信号频率为40 MHz,改变输入信号幅度,实测结果如表1所示。
由输出信号幅度可知:接收板正常工作,特别是AGC起到关键作用,输出信号稳定在13 dBm(p-p值2 V)左右,波动范围1 dB以内。
表1 接收板实测结果(f=40 MHz)dBm
输入信号幅度输出信号幅度-9012.6-8013.0-7013.1-6013.0-5013.1-4013.3-3013.4-2013.5
5 结 语
采用级联形式的VGA,综合考虑接收机预定的技术指标、各种芯片的性能参数,合理布局固定增益放大和可控增益放大的位置,设计了一种用于软件无线电的接收机射频前端电路,并在实验室条件下进行了硬件实测,接收机灵敏度达到-90 dBm,动态范围达到70 dB,满足了系统设计的要求。
参考文献
[1]郑立岗.数字接收机若干技术研究及系统实现[D].成都:电子科技大学,2004.
[2]杨小牛,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,2000.
[3]Reinhold Ludwing, Pavel Bretchko.射频电路设计——理论与应用[M]. 北京:电子工业出版社,2002.
[4]李棠之,杜国新.通信电子线路[M].北京:电子工业出版社,2000.
[5]Christopher Bowick, John Blyler, Cheryl Ajluni.射频电路设计[M].2版.北京:电子工业出版社,2008.
[6]Devendra K Misra.射频与微波通信电路——分析与设计[M].2版.北京:电子工业出版社,2005.
[7]Ian Hickman.实用射频技术手册[M].4版.北京:人民邮电出版社,2009.
[8]颜永红,蒋金枝,马成炎,等.60 dB动态范围的自动增益控制电路设计[J].电子器件,2008,31(3):875-878.
[9]刘晓明,刘晓伟,仲元红,等.中频宽带接收机AGC电路的研究[J].现代雷达,2007,29(7):89-92.
[10]王中文,孙延辉,石广源.无线通信领域中自动增益控制电路的研究[J].辽宁大学学报,2007,34(1):15-17.