24G直接下变频接收机射频前端的设计与研究

摘要：射频前端模块性能关系到整个接收机性能，直接下变频接收机有体积小，价格低和高集成度优点而受到了广泛重视。本文对直接下变频接收机进行了研究，分析了该接收机特点，提出了一种直接下变频接收机射频前端实现方案，并用软硬件平台对其实现，实测2.4G本地振荡信号和接收机解调信号表明达到系统要求指标。关键词：直接下变频接收机，频率合成器，射频前端前言现在接收机大多是超外差结构，微弱高频无线信号经过一级或者两级混频电路，去掉其它信道干扰并获得足够增益，最终完成信号解调。这种接收机结构复杂，存在镜像干扰，同时需要高Q值，体积大IF滤波器，因此使得系统复杂化，集成困难。针对超外差接收机缺点，现在提出了直接下变频接收机，直接下变频接收机本振与载波频率相等，直接将射频信号变换到基带,因此不存在镜像干扰，不需要镜像干扰抑制滤波器。中频模块节省可以大大简化系统，有利于单片系统集成。同时信号放大和滤波都主要在基带进行，降低了能耗。因此直接下变频接收机在无线通信领域受到了广泛关注。1直接下变频接收机总体功能描述PCbfans.cn提示请看下图:图1直接下变频接收机框图天线接收到2.4G射频信号首先经过天线匹配电路，在接收时隙内微弱信号经过低噪放大器放大和带通滤波器滤波，得到射频信号分别与互为正交两路本振信号混频，产生同相和正交两路基带信号。增益可编程放大器放大I/Q两路信号后，再通过低通滤波器完成信道选择。得到信号送入ADC中采样，经后级DSP处理恢复出原信号。2直接下变频接收机关键部分设计2.1接收机芯片选择接收机主要有三部分组成：低噪声放大器，正交解调器和本地振荡器。根据Friis表达式，N级级联系统中噪声因子为：PCbfans.cn提示请看下图:从上式可以看出射频放大级主宰了接收机整体噪声系数，与接收机性能密切相关。由于射频放大级增益，使整个噪声指数才增加并不多，但是太高射频放大级增益，对于后级线性度和稳定度都有影响，在这里我们采用是应用于2.4GHzWLAN,ISM和蓝牙无线系统高线性低噪放大器max2644,增益16dB，噪声系数2dB。接收机解调芯片采用美信公司一款工作在2.1G～2.5G零中频结构正交解调芯片，该芯片包括正交下变频器，基带可控增益放大器，基带增益平衡调控电路和偏置电路。正交混频器具有18dB电压增益和较好线性度。芯片采用新颖可变增益放大器，I/Q两路信号分别采用了总增益80dB，可控增益达60dB两级增益可调放大器，第一级是一个级联差分输入单端输出宽带放大器，它设计目标是在高增益状态下低噪声，低功耗以及线性度。第二级也是一个差分输入单端输出宽带放大器，在两级放大器之间加入低通滤波器可以构成信道选择滤波器，从而达到抑制相邻信道功率作用。本地振荡器采用ADI公司ADF4360-1芯片。2.2接收机本振设计接收机通过混频器实现2.4G直接变频到基带，因此需要一个2.4G本地振荡信号，同时要求本振信号频率精度和稳定度高，相位噪声小。锁相环是一种建立在相位负反馈基础之上闭环控制系统，对相位噪声和杂散具有很好抑制作用，在电视，仪器，通信等领域得到了广泛应用。该接收机本振设计中采用ADI公司ADF4360-1芯片，它射频输入频率在2050M－2450M，内置可编程分频器，具有电荷泵电流编程功能，可应用于无线射频通信系统，是一款性价比很高电荷泵锁存芯片。PCbfans.cn提示请看下图:图2频率合成器原理框图在设计中，通过单片机89C2051控制ADF4360-1CLOCK，DATA和LE信号，在频率合成器芯片内部完成参考晶振R分频和压控振荡器N分频相位比较，并且转换成相应线性电压后从CP0输出，经过3阶环路滤波器滤出高频干扰信号后，得到一稳定电压来控制压控振荡器输出，最终信号频率被锁定在2.4G上。PCbfans.cn提示请看下图:PCbfans.cn提示请看下图:图3ADF4360-1芯片组成锁相环电路和三阶环路滤波器电路在ADF4360-1中主要有一个低噪声鉴相器，一个精密电荷泵，一个可参考分频器R，可编程A及B计数器，和一个双模分频器(P/P1)，频率合成器分频比为N,并且满足N=B*PA,因为ADF4360-1里面集成了一个VCO，所以在芯片外部加上一个环路滤波器就可以构成一个完整锁相环电路，这样芯片集成度更高。它输出频率为fout=N*fin/R,为了得到性能优良本振信号，参考晶振采用10M温度补偿晶振，鉴相频率定为200KHZ,因此R＝50，N=12000,双模分频比预置数值为32/33,B=375,A=0。图4(a)是2.4G本振信号实测图，从频谱分析仪上可以看到频率锁定在2.4G，本振功率幅度为－13.6dBm，满足接收机本振-16～-9dBm要求。图4(b)为锁定时间扫描图，显示频率合成器在100us以内本振信号就锁定在2.4G。PCbfans.cn提示请看下图:(a)图4(a)锁相环实测图PCbfans.cn提示请看下图:(b)（b）锁定时间扫描图3直接下变频接收机增益和频谱分析安捷伦公司先进设计系统2004(ADS2004)EDA软件是RF和微波仿真软件，它提供了一个集成射频设计流程，可以对设计进行精确全面建模，包括前端仿真和后端布局布线能力。我们对接收机一些指标进行了仿真。图5（a）是系统整体增益仿真图，可以看出，中心频率2.4G处增益为93dB,为系统最大增益，同时在2.410G处信号增益为12.7dB,对于干扰信号能够有很好抑制作用。图5（b）对系统进行谐波分析，图中蓝色表示原来信号频谱，红色表示下变频后信号频谱，仿真看出射频信号从2.4G搬到了零中频。PCbfans.cn提示请看下图:(a)(b)图5(a)ADS系统增益仿真（b）ADS系统频谱分析4PCB设计中存在问题和解决方法因为本设计电路射频信号达到了2.4G微波频段,需要考虑PCB布局，布线，匹配和电磁兼容问题。因此PCB材质选用RF4，该板材2.4G时电介质常数为4.6～4.9，接收机采用4层电路板结构，第一层和第四层布信号线，第二层布地线，第三层布电源线。高频连线采用微带线，微带线在电路中连接输入和输出电路，一定特性阻抗微带线可以使得它与前端电路输出阻抗和后端输入阻抗达到匹配，就可以使得信号传输过程中功率损耗减到最小。对于本设计电路芯片射频输入端都需要进行50欧姆阻抗匹配，主要用是表面微带线。实际运用中我们用安捷伦公司射频微波软件对微带宽度进行计算和分析，得到微带宽度为36mil（介质厚度20mil，铜厚1.4mil）。直接下变频接收机是一种先进接收机结构但是它也有自身缺陷，但是本设计芯片中模块都会解决这些问题。（1）直流失调：直接下变频接收机中频为零，混频器RF信号和本振信号输入端之间串通引起自混频，这样就会产生较大直流信号，该直流信号叠加在基频信号上，导致误码率增大，并有可能造成后续放大器处于饱和状态，影响接收机正常工作。本设计中有一个偏移调控电路，该电路通过交流耦合传输信号，同时在电路中产生一个高通滤波电路，这样就可以很好滤除直流信号。（2）I/Q失配：直接下变频接收机因为信道特性不同，本振信号相位误差等诸多因素导致I/Q两路基带信号增益不平衡。这会导致I/Q误码率增高，严重影响解调性能。本设计中含有I/Q增益失配矫正模块，它通过比较I/Q两路信号在终端输出幅度，其误差信号通过一个微分反馈网络，调节放大器增益控制回路，动态调节两路信道增益，从而补偿两路信号增益不平衡。5结束语本文研究了直接下变频接收机原理和实现方案，并成功用软硬件平台对其实现。本文创新点在于成功实现了直接下变频接收机，在运用锁相环电路实现2.4G本地振荡信号，试验结果表明在2.4G高频之下锁相环有锁定时间短，相位噪声小，性能稳定等优点。同时说明了实际工程中需要注意问题和克服直接下变频接收机固有缺陷途径，实测结果表明接收机性能良好，指标都达到了系统设计要求。参考文献1．（美）路德维格(Ludwig.R)著；王子宇等译.射频电路设计——理论与应用.北京：电子工业出版社，2002，52.陈志恒，宋琦明.零中频无线接收机理想、现实与演化.电子产品世界.3.袁伟，葛临东.DDSPLL短波频率合成器设计.微计算机信息.2005,7(1)4.徐健孙大有.无线接收机RF前端研究.东南大学学报，2000，30(3)5.李伟强，王四清.IS-95CDMA手机射频前端频率合成器设计.移动通信.