雙射頻接收器工作原理及設計方案

射頻技術(shù)和無(wú)線(xiàn)電怎樣聯(lián)系起來(lái)?

現代射頻儀器已經(jīng)從單純的測量設備發(fā)展成為重要的系統設計工具。這種發(fā)展得益于軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)引發(fā)的各種技術(shù)。軟件無(wú)線(xiàn)電所具有的靈活性正在掀起無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)以及射頻測試儀器的變革。

20世紀80年代末，??工程師們開(kāi)始嘗試軟件無(wú)線(xiàn)電構想。過(guò)去，無(wú)線(xiàn)電需要依賴(lài)于復雜模擬電路才能發(fā)送和接收射頻和微波信號以及實(shí)現對信息信號的編碼和解碼。軟件無(wú)線(xiàn)電的最初構想是使用通用無(wú)線(xiàn)電來(lái)進(jìn)行信號發(fā)送和接收，同時(shí)在軟件中執行多個(gè)物理層功能(如調制和解調)。

WalterH.W.Tuttlebee在其發(fā)表的文章SoftwareDefined Radio:Origins，DriversandInternaTIonal PerspecTIves中寫(xiě)到：軟件無(wú)線(xiàn)電最初的一些典型應用包括軍用無(wú)線(xiàn)電通信項目，比如20世紀90年代初的SPEAKeasy項目。在該項目的設計中，通過(guò)在軟件中開(kāi)發(fā)許多調制和解調功能，無(wú)線(xiàn)電為各種無(wú)線(xiàn)接口之間提供了互操作性。

然而，到了90年代末，工程師們開(kāi)始積極研究軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在商業(yè)系統的應用，如蜂窩基站。其中闡述越來(lái)越多應用的軟件無(wú)線(xiàn)電需求的一篇最有影響力的論文是Joseph Mitola III博士于1993年發(fā)表在IEEE Spectrum的Software Radios： Survey， CriTIcal EvaluaTIon and Future Directions。Mitola博士也由于其廣泛的研究而被稱(chēng)為“軟件無(wú)線(xiàn)電之父””。

最能夠體現軟件無(wú)線(xiàn)電方法的優(yōu)勢也許是現代基站。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)標準從GSM演變到LTE，通過(guò)硬件來(lái)增加對新標準的支持變得日益困難。此外，基站是通過(guò)復雜且不斷更新?lián)Q代的軟件來(lái)進(jìn)行信號處理和閉環(huán)控制。例如，功率放大器(PA)線(xiàn)性化技術(shù)，如數字預失真(DPD)，對基站的性能至關(guān)重要，并且隨著(zhù)時(shí)間的推移不斷發(fā)展。因而，軟件無(wú)線(xiàn)電方法成為基站設計和維持長(cháng)期支持性的理想選擇。

儀器的根本變革

與此同時(shí)，軟件無(wú)線(xiàn)電架構正日益廣泛地應用于無(wú)線(xiàn)行業(yè)，射頻測試和測量設備正在經(jīng)歷一個(gè)重大的轉折。21世紀初，新無(wú)線(xiàn)標準的問(wèn)世要求儀器能夠提供更加豐富的測量功能，因而也要求架構更加靈活。由于這需要大量的射頻測量工程師才能實(shí)現，過(guò)去針對少數應用專(zhuān)門(mén)設計儀器的做法已經(jīng)變得不切實(shí)際。因此，測試廠(chǎng)商開(kāi)始探索軟件定義射頻測試設備的概念。

傳統掃頻調諧頻譜分析儀的發(fā)展是整個(gè)行業(yè)過(guò)渡到軟件定義儀器系統最典型的例子之一。在傳統的頻譜分析儀中，分辨率帶寬濾波和功率檢測等功能是基于模擬組件來(lái)實(shí)現的。然而，今天的現代射頻信號分析儀通過(guò)集成通用射頻下變頻器(無(wú)線(xiàn)電)來(lái)生成數字化I / Q采樣。該儀器能夠使用頻譜計算等多種方法來(lái)處理I / Q采樣數據。因此，可能用于執行光譜測量的同一信號分析儀還可以用于解碼RADAR脈沖、解調LTE信號或甚至無(wú)線(xiàn)記錄GPS信號。

如今，測試廠(chǎng)商已經(jīng)進(jìn)一步完善射頻儀器架構，以不斷趨近于軟件無(wú)線(xiàn)電架構。新一代射頻儀器的基本架構不僅結合了通用無(wú)線(xiàn)電，還結合了廣泛的PC和信號處理技術(shù)，如多核CPU和FPGA。今天，RF測試設備的軟件無(wú)線(xiàn)電化為傳統RF測試應用提供了顯著(zhù)的優(yōu)勢，同時(shí)也幫助工程師實(shí)現了以前無(wú)法用射頻儀器實(shí)現的應用。

摩爾定律對射頻測試的影響

儀器信號處理性能的不斷提高是將PC技術(shù)集成到RF儀器的最明顯優(yōu)勢之一。摩爾定律預測CPU的處理能力將不斷提高，這意味著(zhù)儀器的處理性能也會(huì )不斷提高。因此，由于CPU廠(chǎng)商不斷更新處理器技術(shù)，基于PC的儀器的測量速度也不斷加快。例如，十年前需要50 ms的頻譜測量現在只需5 ms即可完成。

除了CPU，現代射頻儀器也逐漸集成了現代軟件無(wú)線(xiàn)電的核心技術(shù)——FPGA。FPGA應用于射頻儀器已經(jīng)有十多年，當今一個(gè)不斷發(fā)展的趨勢是讓儀器的FPGA實(shí)現用戶(hù)可編程。用戶(hù)可編程的FPGA將儀器的作用從單一功能設備擴展為無(wú)限靈活的閉環(huán)控制系統。

隨著(zhù)當今支持FPGA的儀器的出現，工程師可以將FPGA的實(shí)時(shí)控制功能與對于時(shí)間要求極其嚴格的測試功能相結合。例如，在需要通過(guò)數字接口實(shí)現設備控制的測試應用中，支持FPGA的儀器可以同步執行數字設備控制與射頻測量?；谟脩?hù)可編程的FPGA提供的新測試方法，工程師們的測試時(shí)間提高了100倍。

支持FPGA的工具也推動(dòng)了FPGA編程的巨大創(chuàng )新。盡管一些工程師多年來(lái)一直使用VHDL等硬件描述語(yǔ)言，但FPGA編程的復雜性為該技術(shù)的廣泛應用帶來(lái)重重障礙。

軟件無(wú)線(xiàn)電推動(dòng)FPGA的應用

今天，RF儀器中類(lèi)似于軟件無(wú)線(xiàn)電的架構元素已經(jīng)模糊了傳統儀器和嵌入式平臺之間的界限。定義儀器的特性，如用戶(hù)可編程的FPGA，使得RF儀器日趨廣泛地用于嵌入式應用中。

二十年前，將價(jià)值上百萬(wàn)美元的RF信號發(fā)生器和射頻信號分析儀組裝在一起來(lái)開(kāi)發(fā)雷達系統的原型似乎令人難以想象。這種系統不僅成本高昂、規模巨大，而且復雜的編程體驗也令工程師望而生畏，不愿使用無(wú)線(xiàn)通信設備之類(lèi)的儀器。

然而現在，PXI等體積更小巧、功能更強大的基于PC的儀器平臺成為了電子嵌入式系統的理想原型解決方案?；赑C的儀器不僅能滿(mǎn)足嵌入式系統的尺寸和成本要求，同時(shí)也為工程師提供了一種可以重新配置RF儀器，從而實(shí)現RF儀器的廣泛應用的良好軟件體驗。所以，工程師開(kāi)始使用射頻信號發(fā)生器和分析儀來(lái)設計雷達、信道仿真器、GPS記錄儀和DPD硬件等嵌入式系統。

使用軟件來(lái)充分定義和定制RF儀器行為的這一能力已經(jīng)成為解決下一代測試挑戰的關(guān)鍵。因此，未來(lái)的RF儀器架構將越來(lái)越難與軟件無(wú)線(xiàn)電架構區分開(kāi)來(lái)。

雙射頻接收器工作原理及設計方案

全球導航衛星系統GNSS(Global Navigation Satel-lite System)近年來(lái)得到了廣泛的引用，從而引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的高度關(guān)注。目前的接收機模式無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的使用精度要求。所以，在原有的單模接收機的基礎 上研發(fā)更高精度、更加穩定耐用的雙模接收機成為研究的核心。

本文提出了一種GPS/Galileo雙頻雙模接收機射頻前端系統的設計方案，該方案結合現有資源，展示出了該種接收機設計的實(shí)例。重點(diǎn)分析了混頻部分、本振部分及控制部分的功能及實(shí)現。最后利用頻譜儀及射頻信號發(fā)生器等設備對實(shí)例進(jìn)行系統級測試，驗證了系統結構的正確性。

1 GPS/Galileo 雙模雙頻接收機系統1.1 接收機結構

設計接收機首先要考慮的就是頻帶的選擇。如圖1所示，GPSL1/L5和GalileoE1/E5a中心頻率相同，如果選擇該頻段的話(huà)，那么很多的元器件可以得到復用，從而極大地減少了研發(fā)和生產(chǎn)成本，同時(shí)也可以減小接收機的體積。

比較流行的雙頻雙模接收機射頻前端的結構大致有信號獨享通道、公用信道、通過(guò)控制使某一時(shí)刻通道內只有一個(gè)載頻信號三類(lèi)。本設計以第三種方案為基礎，在盡可能減少信號相互干擾的同時(shí)，爭取最大限度地復用元器件。結構圖如圖2所示。

1.2 接收機系統整體性能指標

在參考接收機的性能要求的基礎上，設計GPS接收機射頻前端芯片的各項系統指標見(jiàn)表1.