【网络通信】GSMR射频通信接收机的设计

1GSMR射频通信接收机的设计张星，周克生（北京交通大学电子信息工程学院，北京市，100044）摘要：本文分析了一种应用于GSMR信号的接收机方案和部分实现。采用二次变频宽中频接收机的技术，结构明了，实用性强。文中叙述了接收机总体方案的考虑和设计。并结合实际硬件电路对该方案进行了分析和讨论。关键词：二次变频宽中频接收机射频通信中图法分类号：TM921引言铁路GSMR信号在实际应用中由于环境等因素的影响会受到各种不同的干扰，干扰信号过大则会影响到有用信号的有效接收。因此有必要对干扰源进行定位，从而消除干扰。首先需要接收机将GSMR信号和噪声接收下来，为实现噪声源的分析和定位提供硬件支持。而由于传输路径上的损耗和多径效应，接收机接收的信号是微弱且又变化的，并且干扰信号强度往往远大于有用信号，因此接收机的主要指标是灵敏度和选择性。本文介绍了一种GSMR频段的信号接收机方案，对其进行了分析并初步实现。本文研究得到铁道部项目：‘GSMR信号干扰源的追踪’的资助。2总体系统设计考虑众所周知，传统的“超外差”式无线接收机工作流程如下：微弱的高频无线电信号必须通过一级或几级的混频电路，才能去掉其它信道的干扰并获得足够的增益，最终完成解调，取出所需的信息。为了克服“超外差”式无线接收机存在的镜像干扰和需要高Q值滤波器等缺陷，人们提出了零中频接收机的概念。这种被称为直接变频(Direct-Conversion)或零中频(Zero-IF)的结构存在以下优点：(1)中频频率为零，不存在镜像干扰问题；(2)信道选择在低频进行，可以很方便地利用集成电路对信号进行数字化处理。但是零中频接收机也存在着直流偏移和低频噪声等不易消除的障碍，于是又有人提出了二次变频宽中频(Dual-ConversionwithWidebandIF)接收机。这种接收机在第一次变频时将高频信号变到一个较高的中频上，第二次变频输出则是零中频。本文介绍的就是这种二次变频宽中频接收机的结构。系统基本框图如图1所示。VCOBPF3AMP1PLLDIPLEXERVGABPF4MIXER1BPF2LNA1BPF1反射式滤波天线分离滤波70M上行885-889M955-959M频带选择滤波镜像抑制滤波LNA2MIXER2OSCILLATORAMP270MVCA可调衰减器压控放大器2图1接收机框图3关键问题3.1接收机从众多电波中选出有用信号并抑制干扰。问题的难度在于，要在位于极高频率（GSMR的频率在900MHz上下）处从相隔只有200kHz的信道中选出有用信道。相对带宽小，要求滤波器Q值极高。3.2接收机的灵敏度与线性动态范围灵敏度的定义是接收机接收微弱信号的能力，它取决于接收机前端的噪声系数。由于所接收的信号强弱的变化和可能伴随强干扰信号，导致输出信噪比恶化，因此要求有较大的线性动态范围。4单元电路的选择和设计4.1滤波器射频滤波器作用是选择频带，抑制镜频，选用了声表滤波器件（SAW）。插入损耗3db，3db带宽4MHz，带外抑制大于20db。选用中频滤波器为双列直插式（DIP），带宽200kHz，插入损耗13db，带内波动小于1db。4.2低噪声放大器系统的灵敏度由接收机前端的噪声系数决定，故选噪声系数尽量小的放大器，LNA1的噪声系数为1.2db。4.3压控衰减器压控衰减器作用是扩大动态范围，防止因信号过大而损坏电路器件。满足元件输入要求，选用线性度高，电压可调的衰减器，衰减幅度35db。4.4混频器初级混频输出70MHz，次级混频输出为零中频基带信号，选用线性度好，高IP3的混频器。4.5中频放大器选用压控可调增益，两级级联放大，动态范围最大70db的中频放大器.4.6本振初级选用集成VCO的频率合成器，频率范围4MHz，次级选用有源晶振，输出固定频率，温漂小。5综合性能和指标5.1增益计算增益，由前向后，结果如表1所示。表135.2灵敏度和动态范围动态范围下限是灵敏度，它受到基低噪声的限制。上限由最大可接受的信号失真决定。总的噪声系数从后往前推算，计算出的系统噪声系数如表1所示。灵敏度P可表示如下：P=-174dBm/Hz+NF(Db)+10logB+SNR=-174+4.5+10log2*105+SNR=-116.5dBm+SNR信噪比SNR值为15时，P=-101.5dbm。动态范围上限由各元件的IP3点决定。由于有可调衰减器，信号上限可以增大到-30dbm，所以动态范围从-101.5dBm到-30dbm.6仿真及实物图我们采用Agilent公司的ADS软件对接收机方案进行仿真，以考察它的各项指标。结果如下：图2是接收机仿真框图。图3是输入信号的功率谱和波形。图4是输出信号的功率谱和波形。可以看出输入信号已变为零中频信号输出，带外信号有较大衰减。图5为实物图。图2接收机仿真框图4图3输入信号的功率谱与波形图4输出信号的功率谱与波形实物图：图5实物图7结论本文介绍了的GSMR信号的接收机方案，采用二次变频宽中频方式，体积小，性能可靠，成本较低，且便于调试，专用于‘GSMR干扰源的定位’系统，在GSMR通信领域具有广泛的应用前景。5参考文献：1，陈邦媛，射频通信电路，科学出版社，20022，CotterW.Sayre，张之超，黄世亮，无线通信设备与系统设计大全，人民邮电出版社，20043，ReinholdLudwig,PavelBretchko，射频电路设计-理论与应用，电子工业出版社，20044，邵震洪，陈勇，赵杭生，HFA3783芯片在类零中频接收机中的应用，总参第63研究所，2004作者简介张星，，硕士研究生。