高麗麗,王　蓓

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；

2.中國人民解放軍邊防學(xué)院，陜西 西安 710108)

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一種U/V頻段寬帶超視距接收機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

高麗麗1,王蓓2

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；

2.中國人民解放軍邊防學(xué)院，陜西 西安 710108)

重點(diǎn)研究了U/V頻段(225～800MHz)超視距通信設(shè)備中的一種通用性寬帶接收機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)寬帶接收，接收機(jī)采用超外差結(jié)構(gòu)中的二次變頻方案，完成了基于電磁兼容性的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路研制，并且采用三級AGC級聯(lián)實(shí)現(xiàn)自動增益控制，同時設(shè)計了一種高精度電平檢測方案和基于此方案的接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI)。在完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試的基礎(chǔ)上，給出了多方面的性能指標(biāo)測試結(jié)果，結(jié)果表明，所研制的原理樣機(jī)滿足預(yù)期要求。

接收機(jī)；二次變頻；AGC；RSSI；低噪放；頻率合成

0　引言

所謂超視距，是相對于視距而言的，由于地球是圓形的，我們在地球上某一固定點(diǎn)向任一方向看去只能看到有限的距離，如果無線電波的波長很短的話，則電波傳播的距離基本和視距相等。但是考慮到地球表面介質(zhì)的復(fù)雜性，電波的實(shí)際傳輸距離超過了視距傳播距離，這就是超視距傳輸。超視距通信通常是利用無線電波的散射作用進(jìn)行的遠(yuǎn)距離通信[1]。超視距的接收機(jī)的主要要求是大動態(tài)范圍、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等，隨著無線接收機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和工藝水平的提高，這些方面的指標(biāo)，越來越苛刻，這就需要研發(fā)人員在設(shè)計中，盡量去優(yōu)化接收機(jī)的這些性能，使其適應(yīng)范圍更廣，接收能力更強(qiáng)。

接收機(jī)用于整個通信系統(tǒng)的接收前端，處理的信號是頻率較高、電平波動很大、相對微弱并且有很多干擾的信號，它的工作能力可以對整個系統(tǒng)造成很大的影響，接收機(jī)電路的設(shè)計好壞直接會影響接收信號質(zhì)量好壞，如何合理地規(guī)劃電路、選擇器件等射頻電路的研制工作，一直是研究的難點(diǎn)，再加上硬件電路性能受影響因素很多，變數(shù)比較大，所以，對于接收機(jī)的研究，研發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)也是非常重要的[2-3]。

1　總體設(shè)計

本文開展了對U/V頻段寬帶超視距接收機(jī)的設(shè)計和研究工作，主要特點(diǎn)是工作頻帶寬、動態(tài)范圍大、低噪聲、具有高精度接收電平指示功能以及電路集成化。

對系統(tǒng)各電路單元的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入分析，并依據(jù)任務(wù)指標(biāo)對各功能單元的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論證，最終確定電路實(shí)現(xiàn)方法，整個接收機(jī)的總體方案框圖如圖1所示。

圖1　總體方案框圖225～800 MHz的射頻信號

從天線口接收下來以后，首先經(jīng)過外部的預(yù)選濾波器濾波，濾除一部分接收進(jìn)來的各種干擾信號，然后經(jīng)過限幅器，限定輸出功率在某一電平，經(jīng)限幅器出來的信號進(jìn)入低噪聲放大器進(jìn)行低噪聲放大，放大后的信號進(jìn)行鏡頻抑制濾波后進(jìn)入變頻器進(jìn)行兩次變頻，得到中頻信號21.4 MHz；中頻信號分為三路輸出，一路直接輸出，一路經(jīng)AGC后輸出給后續(xù)的解調(diào)電路，一路進(jìn)入RSSI進(jìn)行接收電平指示檢測。

1.1接收通道的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

接收信號通道的原理框圖如圖2所示，其主要組成部分為低噪放、混頻器、濾波器、放大器及π型匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖2　接收信號通道的原理框圖

中頻輸出信號為21.4MHz，射頻進(jìn)來的信號是225～800MHz，電路設(shè)計采用二次變頻方案。如果采用一次變頻，本振信號為246.4～821.4MHz，鏡頻信號為267.8～842.8MHz，其中267.8～800MHz這段頻率是和有用信號是重復(fù)的，鏡頻信號無法采用濾波器簡單濾除，另外，本振信號為246.4～821.4MHz，這個頻段包含了246.4MHz的三個倍頻程的頻率，頻率綜合器也不太好選擇。若采取抑鏡混頻方案，鏡頻抑制度非常小，只有十幾個dBc，鏡頻抑制不能滿足指標(biāo)。而采用二次變頻，對于一本振二本振的頻率選擇，我們應(yīng)該避免組合干擾落入有用信號頻帶內(nèi)，還要考慮一中頻的濾波器是否好實(shí)現(xiàn)，選擇一中頻為1600MHz，那么一本振為1 825～2 400MHz，鏡頻為3 425～4 000MHz，鏡頻離射頻輸入信號的頻段很遠(yuǎn)，所以采用LC濾波電路就可以輕松達(dá)到鏡頻抑制指標(biāo)，電路設(shè)計簡單可行。采用二次變頻還可以防自激。對同一頻點(diǎn)的放大增益最好不要超過60 dB，否則出現(xiàn)自激，反復(fù)放大，容易引起自激。二次變頻完全可以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求，沒必要采用三次變頻，增加電路的成本和復(fù)雜度。

在射頻信號(225～800MHz)進(jìn)入接收信道之前[4-6]，它先經(jīng)過了外接選頻濾波器和限幅器[7,8]，然后射頻信號進(jìn)入低噪放進(jìn)行低噪聲放大，之后進(jìn)入抑鏡濾波器，對鏡頻信號進(jìn)行抑制，射頻信號經(jīng)過一級小幅度放大，然后進(jìn)入混頻器，與一本振信號進(jìn)行一次混頻，變?yōu)?600MHz的高中頻信號。在高中頻通道上，帶通濾波器對帶外干擾信號進(jìn)行濾除，信號在高中頻進(jìn)行比較大幅度放大，為了防止大信號導(dǎo)致器件飽和和信號失真，在高中頻通道安排一數(shù)控衰減器，可實(shí)現(xiàn)31dB衰減，信號進(jìn)入混頻器進(jìn)行第二次混頻，得到21.4MHz的中頻信號。

中頻信號經(jīng)過濾波、放大輸出后分[9]為三路供后續(xù)電路使用，所有的混頻器、濾波器、放大器之間均有π型匹配網(wǎng)絡(luò)。

1.2AGC電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

為了保證大的動態(tài)范圍[10-11]，本設(shè)計所采用的AGC由兩級AD8367和一級AD8368三級級聯(lián)實(shí)現(xiàn)，第一級工作于VGA方式，第二級和第三級都是AGC方式，當(dāng)輸入信號發(fā)生變化時，信號強(qiáng)度經(jīng)第二級AD8367平方律檢波后，反饋到前兩級可變增益控制部分，自動完成增益控制，實(shí)現(xiàn)AGC功能，第三級AD8368獨(dú)立工作，應(yīng)用于AGC模式。

AD8367是一款性價比高，電壓可控增益放大器，如圖3所示。它使用X-AMP結(jié)構(gòu)，具有良好的增益控制特性。該器件帶有可控制線性增益的高性能45 dB可變增益放大器，并可在任意低頻到500MHz的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。輸入阻抗為200Ω，輸出阻抗50Ω；3dB帶寬為500MHz；輸入端零電平時，輸出電平為電源電壓的一半，且可調(diào)；具有增益控制特性選擇和功耗關(guān)斷控制功能；片上集成有律方根檢波器，實(shí)現(xiàn)單片AGC應(yīng)用；增益控制特性以dB成線性；可通過外部電容將工作頻率擴(kuò)展到任意低頻。AD8367的功能框圖如圖3所示。

圖3　AD8367的功能框圖

1.3RSSI的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計采用對數(shù)檢波放大器加軌到軌運(yùn)放并結(jié)合窄帶濾波的形式來對信號進(jìn)行檢波，采用+5V供電，簡單、通用。RSSI電路由AD公司的AD8310和一級AD8042級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。AD8310的管腳配置如圖4。

圖4　AD8310管腳配置

信號首先經(jīng)過一級窄帶濾波器截取帶寬為3kHz窄帶信號能量，所以為了精確檢波，濾波器帶寬越窄越好，在21.4MHz頻點(diǎn)，帶寬最窄可以做到3kHz，經(jīng)過一級濾波后的窄帶信號經(jīng)過放大和二次窄帶濾波后，進(jìn)入檢波器AD8310和射隨器AD8042電路進(jìn)行檢波，最后輸出檢波電壓。

本文選用的檢波器為AD公司出品的AD8310。它是一個覆蓋DC～440MHz，動態(tài)范圍高達(dá)95dB的對數(shù)放大器，其檢波增益為24mV/dB。

輸出電壓可以通過下式進(jìn)行計算：

(1)

VOUT是檢波電壓輸出；VSLOPE是對數(shù)斜率，單位是V/dB；PIN是輸入信號電平值，單位是dBm或dBV均可；P0是對數(shù)截取值，校準(zhǔn)后為-108dBV(-95dBm)。

2　測試結(jié)果與分析

整機(jī)測試指標(biāo)包括增益、鏡頻抑制、相位噪聲、動態(tài)范圍、噪聲系數(shù)及接收電平指示測試等。

經(jīng)過測試得知：

接收機(jī)增益：60.3 dB 滿足60 dB±1dB

鏡頻抑制：60.8 dBc 滿足≥60 dBc

動態(tài)范圍：40 dB 滿足40 dB±1dB

噪聲系數(shù)：1.5 dB 滿足≤2 dB

RSSI接收電平指示測試結(jié)果如表1所示，接收機(jī)的輸出電平值，相鄰之間間隔為0.24V左右。

表1　RSSI接收電平指示測試結(jié)果

在電路單元調(diào)試完成后，對接收機(jī)整機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)、測試，接收機(jī)整機(jī)的各項功能和指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)了大動態(tài)、低噪聲、自動增益控制、接收電平指示及控制電路為一體的接收機(jī)的設(shè)計。

3　結(jié)束語

針對寬頻帶需求，確定接收機(jī)采用二次變頻形式的超外差方案實(shí)現(xiàn)，先將輸入信號上變頻至高中頻頻段，再下變頻至需要的中頻頻段。針對大動態(tài)范圍需求，確定接收機(jī)的AGC采用三級級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，放置在中頻頻段，實(shí)現(xiàn)了AGC功能。本文還實(shí)現(xiàn)了接收電平指示的功能要求，并且集成了基于FPGA的控制電路。遵循以上的設(shè)計思路，經(jīng)過合適的指標(biāo)分配、器件選擇、電路設(shè)計，最終得到了符合設(shè)計要求的接收機(jī)，這對今后研制其他頻段的接收機(jī)有一定的參考意義。

[1]趙巖.無線超視距通信系統(tǒng)迭代同步算法研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

[2]高麗麗.U/V頻段寬帶超視距接收機(jī)的研制[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

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Design and Implementation on a Beyond-line-of-sight U/V Broadband Receiver

GAO Li-li1,WANG Bei2

(1.Hebei Branch Company，Zhonghua Communication System Co.Ltd,Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2.Border Defence Academy of PLA, Xi’an Shaanxi 710108,China)

This paper studies a universal broadband receiver for the beyond-line-of-sightU/V (225～800MHz) communication.A super heterodyne structure with dual-frequency conversion is used in the receiver to realize wideband receiving.This paper involves structure design based on electromagnetic-compatibility and the circuit manufacture.A three-stage cascaded AGC scheme is employed to realize the automatic gain controlling，A scheme of signal strength detection with high precision and a received signal strength indicator (RSSI) based on the scheme is designed and implemented.After debugging and testing the system，this paper gives a lot of test results for various performances and specifications.The results show that the successfully developed prototype can meet the expected requirements.

receiver；dual-conversion；AGC；LNA；frequency synthesis

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.21

引用格式:高麗麗，王蓓.一種U/V頻段寬帶超視距接收機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) [J].無線電通信技術(shù),2016,42(5):85-87，91.

2016-06-26

國家部委基金資助項目

高麗麗(1984—)，女，工程師，碩士，研究方向：電磁場與微波技術(shù)。王蓓(1981—)，女，講師，碩士，主要研究方向：信息系統(tǒng)。

TN851

A

1003-3114(2016)05-85-3