原创 一种短波数字接收机模拟前端设计方案

1 引言
    随着A/D及DSP器件性能的提高，目前，在短波频段内对信号进行直接射频数字化已经不存在问题，但对A/D之前的全频段中心频率连续可调抗混叠滤波器要求较高，实现起来有一定难度，成本也相对较高，故目前在短波频段现实的做法仍然是采用外差模式。本文所讨论的短波数字接收机模拟前端采用一次变频方案，其总体框图如图1所示。

 
                        图1 短波数字接收机模拟前端总体框图

    该接收机的频率范围从1.5MHz～30MHz，中频频率45MHz。前端接收滤波器组共分为8个波段，由AT89C55控制74HC138译码器进行选通。本振部分采用DDS激励PLL技术产生所需频率，通过预置，可以产生的本振频率范围为46.5MHz～75MHz。接收到的射频信号经低噪声线性放大器3SK165放大后送入混频器AD831，混频后得到频率为45MHz的中频信号，该中频信号通过中心频率为45MHz的带通晶体滤波器后，由两片级联的可变增益放大器AD603进行中频信号的放大，在AGC电路的控制下使送入ADC的信号电平相对稳定。
    该接收机的主要设计指标如下：(1) 灵敏度：-110dBm ；(2) 动态范围：120dB ；(3) 接收频率范围：1.5MHz～30MHz ；(4) 频率间隔：1Hz ；(5) 频率稳定度：10-8 。
    本文剩余部分组织如下：第二部分分析短波数字接收机模拟前端的总体设计方案，包括前端各部分增益的分配与计算、AGC起控点与饱和点的选取以及整个前端噪声系数的计算等；第三部分讨论各部分模块的具体实现以及对器件选择的考虑；第四部分给出本方案的实验数据。

2 模拟前端总体方案设计
    短波数字接收机模拟前端的设计，主要是根据所给出的接收机性能指标，重点考虑灵敏度与动态范围，而其它性能指标，如镜向抑制比、中频抑制比、倒易混频、三阶截获点以及带外衰减等都受灵敏度和动态范围的影响，并与具体器件的性能有关，在做总体方案设计时可暂不考虑。灵敏度和动态范围的设计主要涉及到前端的总体增益、总的噪声系数和AGC动态范围的确定。
2.1  模拟前端增益的分配与计算
    模拟体制接收机前端增益的确定原则是：保证解调器输入端一定信噪比（即对接收机前端噪声系数的要求）情况下，把灵敏度信号电平放大至解调器工作门限。而对中频数字化接收机来说，由于中频信号先进行A/D变换，解调由数字信号处理器件中的软件算法完成，因此前端增益必须保证足够大，理论上应使灵敏度附近的微弱信号电平加上接收机噪声电平在A/D的输入端至少大于一个A/D变换器量化电平。由此，我们可以得出：
    总增益（dB） = 量化电平（dBm） – 灵敏度电平（dBm）       ……………………（1）
而接收机的灵敏度由环境温度下的热噪声密度、等效噪声带宽和总的噪声系数决定，在标准室温下可表示为：灵敏度电平（dBm） = -174（dBm） + 10logBW + NF（dB）   ……（2）
其中，BW为信道带宽；NF为前端总的噪声系数。结合（1）、（2）式，前端的总增益可表示为：总增益（dB） = 量化电平（dBm）+ 174（dBm）- 10logBW - NF（dB）     ……（3）
    考虑到实际短波信道以及器件基底噪声等因素的影响，通常情况下A/D器件的低几位被认为是不可靠的（因为信号电平可能被噪声所淹没）。我们研制的数字信号处理板选用AD6644进行模数转换，它是一个14位A/D变换器，满刻度电平为2V（p-p），从实际测量结果分析，它的低3位被认为是不可靠位，则它的一个有效量化电平为2×23/214＝976.6μV（p-p），50Ω阻抗上的有效值为-56.2dBm。信道带宽定义为20KHz，前端总的噪声系数定为16dB，则由（3）式，接收机前端总增益可计算如下：总增益 = -56.2 + 174 - 10log20000 –16 = 58.8dB 。考虑到一定的余量，设计时将接收机前端总的增益确定为60dB。60dB的总增益在前端各模块中的分配如图2所示。
 
图2  模拟前端增益分配图

2.2  模拟和数字AGC控制范围的选取
    在短波数字接收机中，其模拟前端动态范围一般设计得较大，因此随着输入信号由灵敏度电平起逐渐增大，必须采用模拟和数字AGC联合控制才能保证输出的恒定。确定前端模拟AGC和数字AGC起控点和控制范围，是短波数字接收机必须考虑的问题。在这种大动态范围的接收机中，保证A/D不工作在饱和状态就成了设计AGC起控点的依据。为不使A/D饱和并尽量减小其非线性的影响，需要为A/D正常工作留出足够的“静空”（Head room）。通常考虑以下因素来设置A/D的“静空”：(1)信号的峰/均值电压之比可能比较大，就调幅话音信号而言通常可达到20dB；(2)落入A/D输入带宽之内，而位于信息带宽之外的强干扰信号可能存在，需要留出一定的“静空”，如20dB，以防止A/D进入饱和；(3)如果要采用欠取样，则必须考虑A/D的满刻度功率带宽的影响，若不用满刻度输入，则可增加A/D的工作带宽，同时也因输出电平的降低，减小了扭动速率和孔径抖动效应引入的噪声。
    在我们的设计中，综合考虑以上因素，为AD6644正常工作留出40dB的“静空”，也就是AD6644的高7位，其中20dB用来处理信号波动， 20dB用来处理外来干扰。AD6644的满刻度输入电平为2V（p-p），即10dBm（50Ω阻抗上的有效值），则其稳定输入电平为10dBm - 40dB = -30dBm，即20mV（p-p），而接收机模拟前端的总增益（最大）为60dB，所以模拟AGC起控点对应的射频输入信号幅度应为-90dBm,即20µV（p-p）。我们假设接收机接收信号的最高电平为-10dBm，即200mV（p-p），而此时模拟AGC的控制作用达到饱和，则模拟AGC的控制范围为20log(200mV/20µV) = 80dB，这就是接收机模拟AGC的控制范围，由前端模拟电路提供。当射频输入信号小于20µV（p-p）时，模拟AGC失控。如果信号再减小20倍，即以1µV（-116dBm）电平射频输入，那么信号经前端电路放大后送入AD6644时恰为1mV（p-p），刚好对应于AD6644的一个有效量化电平976.6μV，故1µV（p-p）为该接收机的灵敏度信号电平。图3描述了14位AD6644的分配情况。
 
图3  AD6644各bit分配情况
    综合以上分析，模拟AGC起控点电平 = A/D稳定输入电平 - 前端增益 = -30dBm -60dB = -90dBm ；模拟AGC的控制范围 = -10dBm -（-90dBm）= 80dB；数字AGC起控点为灵敏度电平，即 -116dBm；数字AGC的控制范围 = 模拟AGC起控点电平 - 灵敏度电平 = -90dBm -（-116dBm）= 26dB，数字AGC用来补偿1µV（p-p）～20µV（p-p）之间射频输入信号的变化。另外考虑到模拟AGC输出的信号电平可能会有一倍左右的变化，所以数字AGC需要具有约26dB + 3dB = 29dB的控制范围，这29dB由后续的数字电路部分提供。
2.3  模拟前端噪声系数的考虑
    所有的射频接收都是对系统信噪比（SNR）的一系列处理。所以，混频器、滤波器、放大器以及本振产生的噪声都应该降至最小。对于无源、有损耗的器件，例如滤波器，其噪声系数可按下式计算： ，式中F是器件的噪声系数，L是器件的损耗，T是器件的绝对温度。对于有损耗的元器件级联状态下的总噪声系数可由下式给出：
 
    其中，F是等效的总噪声系数，FN是第N级的噪声系数，GN-1是第N-1级的增益。从上式可以看出，接收机的总噪声系数由系统内各级的噪声性能共同决定，前面几级的噪声系数对系统影响较大，特别是第一级的影响最大。因此，在选择位于接收机前端的元器件，例如LNA和混频器时，其噪声系数应尽可能的小，以保证整机的噪声性能。

3 模拟前端主要模块器件的选择
    在第二部分讨论模拟前端总体方案设计时，我们涉及的系统性能指标主要是灵敏度和动态范围，而在选择器件时，我们主要考虑的性能指标是噪声性能、三阶截点以及各种干扰的抑制性能等。根据图1所示总体框图，我们主要讨论三个模块器件的选择。
3.1  低噪声放大器(LNA)
    LNA位于接收机的前端，所以要求它的噪声系数越小越好；同时为了抑制后面各级器件噪声对系统的影响，还要求它有一定的增益；但LNA本身是个宽带放大器，考虑到输入输出匹配以及带内平坦度，增益又不宜过大，根据我们的设计，增益控制在10dB ～ 15dB，同时具备一定的AGC能力，AGC范围在 0dB ～ 10dB。
    基于以上几点考虑，我们选择了SONY公司生产的双栅场效应管3SK165来完成LNA的设计。该产品在室温测试下具有极小的噪声系数1.2dB，工作频带可达800MHz，最高增益为20dB，器件指标满足设计要求。通过改变增益控制栅对源极的电压，可使LNA的增益在 0dB ～ 10dB范围内变化。
3.2  混频器
    在采用一次变频方案的短波数字接收机中，混频器是相当关键的一个环节，直接影响整机的灵敏度、隔离度、三阶截点、各种干扰抑制性能以及动态范围等重要性能指标。我们在设计中选择了AD831。它是AD公司生产的低失真、宽动态范围的单片有源混频集成电路，由混频器、限幅放大器、低噪声输出放大器等模块组成，主要用于HF和VHF接收机中射频到中频的频率转换。AD831采用双差分模拟乘法器混频电路，具有24dBm三阶截点，三阶互调失真小，同时有10dBm的1dB压缩点，线性动态范围大，满足我们的设计要求。
3.3  中频放大模块
    模拟前端的增益及动态范围主要靠中频放大模块提供。它是一个窄带放大器，容易将增益做得高一些，但我们采用的是一次变频方案，在一个频点附近也不可能把增益做得太高，否则容易自激，在我们的设计中将中频增益定为56dB，AGC动态范围70dB（-14dB ～ 56dB）。我们选用了AD公司的低噪声可变增益放大芯片AD603。它在90MHz带宽范围内具有-11dB ～ 30dB的增益变化，增益与控制电压呈线性关系。我们用两片AD603级联起来实现70dB的动态范围。

4 实验数据
    表1所示为模拟前端的实测数据。从表1可以看出随着输入信号的增大，模拟AGC和数字AGC各自的控制范围以及各部分增益变化情况，送入A/D的信号电平始终在控制范围内。

LNA设计文件：