2.4G直接下變頻接收機射頻前端的設計與研究

前言

現在的接收機大多是超外差結構，微弱的高頻無(wú)線(xiàn)信號經(jīng)過(guò)一級或者兩級的混頻電路，去掉其它信道的干擾并獲得足夠的增益，最終完成信號的解調。這種接收機結構復雜，存在鏡像干擾，同時(shí)需要高Q值的，體積大的IF濾波器，因此使得系統復雜化，集成困難。針對超外差接收機的缺點(diǎn)，現在提出了直接下變頻接收機，直接下變頻接收機的本振與載波頻率相等，直接將射頻信號變換到基帶, 因此不存在鏡像干擾，不需要鏡像干擾抑制濾波器。中頻模塊的節省可以大大簡(jiǎn)化系統，有利于單片系統的集成。同時(shí)信號的放大和濾波都主要在基帶進(jìn)行，降低了能耗。因此直接下變頻接收機在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。

1直接下變頻接收機總體功能描述

圖1直接下變頻接收機框圖

天線(xiàn)接收到的2.4G射頻信號首先經(jīng)過(guò)天線(xiàn)匹配電路，在接收時(shí)隙內微弱的信號經(jīng)過(guò)低噪放大器放大和帶通濾波器濾波，得到的射頻信號分別與互為正交的兩路本振信號混頻，產(chǎn)生同相和正交兩路基帶信號。增益可編程放大器放大I/Q兩路信號后，再通過(guò)低通濾波器完成信道選擇。得到的信號送入ADC中采樣，經(jīng)后級的DSP處理恢復出原信號。

2 直接下變頻接收機關(guān)鍵部分的設計

2.1接收機的芯片選擇

接收機主要有三部分組成：低噪聲放大器，正交解調器和本地振蕩器。

根據Friis表達式，N級級聯(lián)系統中噪聲因子為：

從上式可以看出射頻放大級主宰了接收機的整體噪聲系數，與接收機的性能密切相關(guān)。由于射頻放大級的增益，使整個(gè)噪聲指數才增加的并不多，但是太高的射頻放大級增益，對于后級的線(xiàn)性度和穩定度都有影響，在這里我們采用的是應用于2.4GHz WLAN,ISM和藍牙無(wú)線(xiàn)系統的高線(xiàn)性低噪放大器max2644,增益16dB，噪聲系數2dB。

接收機解調芯片采用美信公司一款工作在2.1G ～2.5G的零中頻結構的正交解調芯片，該芯片包括正交下變頻器，基帶可控增益放大器，基帶增益平衡調控電路和偏置電路。正交混頻器具有18dB的電壓增益和較好的線(xiàn)性度。芯片采用新穎的可變增益放大器，I/Q兩路信號分別采用了總增益80dB，可控增益達60dB的兩級增益可調放大器，第一級是一個(gè)級聯(lián)差分輸入單端輸出的寬帶放大器，它的設計目標是在高增益狀態(tài)下的低噪聲，低功耗以及線(xiàn)性度。第二級也是一個(gè)差分輸入單端輸出的寬帶放大器，在兩級放大器之間加入低通濾波器可以構成信道選擇濾波器，從而達到抑制相鄰信道功率的作用。

本地振蕩器采用ADI公司的ADF4360-1芯片。

2.2接收機的本振設計

接收機通過(guò)混頻器實(shí)現2.4G直接變頻到基帶，因此需要一個(gè)2.4G的本地振蕩信號，同時(shí)要求本振信號頻率精度和穩定度高，相位噪聲小。鎖相環(huán)是一種建立在相位負反饋基礎之上的閉環(huán)控制系統，對相位噪聲和雜散具有很好的抑制作用，在電視，儀器，通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。該接收機本振設計中采用ADI公司的ADF4360-1 芯片，它的射頻輸入頻率在2050M－2450M，內置可編程分頻器，具有電荷泵電流編程功能，可應用于無(wú)線(xiàn)射頻通信系統，是一款性?xún)r(jià)比很高的電荷泵鎖存芯片。

圖2 頻率合成器原理框圖

在設計中，通過(guò)單片機89C2051控制ADF4360-1的CLOCK，DATA和LE信號，在頻率合成器芯片內部完成參考晶振R分頻和壓控振蕩器N分頻相位的比較，并且轉換成相應的線(xiàn)性電壓后從CP0輸出，經(jīng)過(guò)3階環(huán)路濾波器濾出高頻干擾信號后，得到一穩定電壓來(lái)控制壓控振蕩器的輸出，最終的信號頻率被鎖定在2.4G上。

圖3 ADF4360-1芯片組成鎖相環(huán)電路和三階環(huán)路濾波器電路

在A(yíng)DF4360-1中主要有一個(gè)低噪聲鑒相器，一個(gè)精密電荷泵，一個(gè)可參考分頻器R，可編程A及B計數器，和一個(gè)雙模分頻器(P/P+1)，頻率合成器的分頻比為N,并且滿(mǎn)足N=B*P+A, 因為ADF4360-1里面集成了一個(gè)VCO，所以在芯片的外部加上一個(gè)環(huán)路濾波器就可以構成一個(gè)完整的鎖相環(huán)電路，這樣芯片的集成度更高。它的輸出頻率為fout=N*fin/R,為了得到性能優(yōu)良的本振信號，參考晶振采用10M的溫度補償晶振，鑒相頻率定為200KHZ,因此R＝50，N=12000,雙模分頻比的預置數值為32/33,B=375,A=0。圖4(a)是2.4G本振信號的實(shí)測圖，從頻譜分析儀上可以看到頻率鎖定在2.4G，本振的功率幅度為－13.6dBm，滿(mǎn)足接收機的本振-16～-9 dBm的要求。圖4(b)為鎖定時(shí)間掃描圖，顯示頻率合成器在100us以?xún)缺菊裥盘柧玩i定在2.4G。

(a)

圖4 (a)鎖相環(huán)實(shí)測圖

(b)

（b）鎖定時(shí)間掃描圖

3 直接下變頻接收機增益和頻譜分析

安捷倫公司的先進(jìn)設計系統2004 (ADS 2004) EDA軟件是RF和微波仿真軟件，它提供了一個(gè)集成的射頻設計流程，可以對設計進(jìn)行精確全面的建模，包括前端的仿真和后端的布局布線(xiàn)能力。我們對接收機的一些指標進(jìn)行了仿真。

圖5（a）是系統的整體增益仿真圖，可以看出，中心頻率2.4G處的增益為93dB,為系統的最大增益，同時(shí)在2.410G處的信號增益為12.7 dB,對于干擾信號能夠有很好的抑制作用。圖5（b）對系統進(jìn)行諧波分析，圖中藍色表示原來(lái)的信號頻譜，紅色表示下變頻后的信號頻譜，仿真看出射頻信號從2.4G搬到了零中頻。

(a) (b)

圖 5 (a)ADS系統增益仿真（b）ADS系統頻譜分析

4 PCB設計中存在的問(wèn)題和解決方法

因為本設計的電路射頻信號達到了2.4G的微波頻段,需要考慮PCB的布局，布線(xiàn)，匹配和電磁兼容問(wèn)題。因此PCB材質(zhì)選用RF4，該板材2.4G時(shí)的電介質(zhì)常數為4.6～4.9，接收機采用4層電路板結構，第一層和第四層布信號線(xiàn)，第二層布地線(xiàn)，第三層布電源線(xiàn)。高頻連線(xiàn)采用微帶線(xiàn)，微帶線(xiàn)在電路中連接輸入和輸出電路，一定特性阻抗的微帶線(xiàn)可以使得它與前端電路的輸出阻抗和后端的輸入阻抗達到匹配，就可以使得信號傳輸過(guò)程中的功率損耗減到最小。對于本設計的電路芯片的射頻輸入端都需要進(jìn)行50歐姆的阻抗匹配，主要用的是表面微帶線(xiàn)。實(shí)際的運用中我們用安捷倫公司的射頻微波軟件對微帶寬度進(jìn)行計算和分析，得到微帶寬度為36mil（介質(zhì)厚度20mil，銅厚1.4mil）。

直接下變頻接收機是一種先進(jìn)的接收機的結構但是它也有自身的缺陷，但是本設計芯片中的模塊都會(huì )解決這些問(wèn)題。

（1） 直流失調：直接下變頻接收機的中頻為零，混頻器的RF信號和本振信號輸入端之間串通引起的自混頻，這樣就會(huì )產(chǎn)生較大的直流信號，該直流信號疊加在基頻信號上，導致誤碼率增大，并有可能造成后續的放大器處于飽和狀態(tài)，影響接收機的正常工作。本設計中有一個(gè)偏移調控電路，該電路通過(guò)交流耦合傳輸信號，同時(shí)在電路中產(chǎn)生一個(gè)高通濾波電路，這樣就可以很好的濾除直流信號。

（2） I/Q失配：直接下變頻接收機因為信道特性不同，本振信號相位誤差等諸多的因素導致I/Q兩路基帶信號增益不平衡。這會(huì )導致I/Q誤碼率增高，嚴重影響解調性能。本設計中含有I/Q增益失配矯正模塊，它通過(guò)比較I/Q兩路信號在終端的輸出幅度，其誤差信號通過(guò)一個(gè)微分反饋網(wǎng)絡(luò )，調節放大器的增益控制回路，動(dòng)態(tài)調節兩路信道的增益，從而補償兩路信號的增益不平衡。

5 結束語(yǔ)

本文研究了直接下變頻接收機的原理和實(shí)現方案，并成功的用軟硬件平臺對其實(shí)現。本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于成功的實(shí)現了直接下變頻接收機，在運用鎖相環(huán)電路實(shí)現2.4G本地振蕩信號，試驗結果表明在2.4G高頻之下鎖相環(huán)有鎖定時(shí)間短，相位噪聲小，性能穩定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)說(shuō)明了實(shí)際工程中需要注意的問(wèn)題和克服直接下變頻接收機固有缺陷的途徑，實(shí)測結果表明接收機性能良好，指標都達到了系統設計要求。

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