标签: 高频收发机

之前在EDN上发表过的文章 《21世纪的业余无线电》 引起了人们诸多的兴趣，人们对这个业余爱好的各个方面也提出了许多问题。本文撰写的动机也是源于这方面的兴趣，但不只限于业余无线电。本文讨论了工程师在设计各种电子设备时每天都在考虑的设计折衷问题。高频收发机在这里用作例证。 无线电设计在很多方面类似其它设备设计 针对业余无线电开发的现代高性能收发机设计实际上与许多其它系统设计没有太多区别。例如，数量不是太多，典型型号一年的用量为几千台。这种设计不能使用ASIC，因为大多数ASIC要求大得多的批量才能满足经济上的可行性。另外，适中的数量通常不会吸引大型半导体公司的产品规划师。 这意味着设计工程师不能依靠简单地组合一些特殊应用芯片就称之为硬件设计。他们也不能依靠制造商提供可以生产的参考设计，像PC、蜂窝电话和平板电脑等大批量市场中的做法是行不通的。相反，工程师们必须精心挑选许多元器件，并设法使它们在一起协调工作，最终满足系统性能目标要求。除了激发工程师的创造性外，还要尝试使用所有可用的技术才能让新产品成功上市，并满足性能和成本目标。 与大多数系统一样，产品同样要求符合相关政府部门的法律法规。对业余无线电收发机来说，政府机构最关心的是发射信号的纯度，避免干扰到其它服务。在美国，适用法规是47CFR97.313(d)，“……来自发送频率低于30MHz的基站发射机或外部射频功放的任何杂散辐射平均功率至少要比基频发射平均功率低43dB。”大多数业余无线电收发机是针对全球销售设计的，因此在销售前必须符合种类繁多的其它区域标准(例如CE)。 除了政府法规外，用户对性能也非常敏感——通常愿意为高性能支付更多的费用。实际上对许多工业系统、测试与测量仪器以及医疗设备来说都是这种情况。在低性能系统领域，价格是主要指标，利润非常微薄。换句话说，专注于高性能可以得到良好的回报。 本文将主要讨论几款现代高性能业余无线电收发机的接收侧设计。市场上还有其它的高频收发机，它们是针对商业和政府应用设计的，相比于个人消费者，这些客户可以负担更高的价格。提供高性能的同时满足消费者心理价位将给设计任务增加额外的挑战。 与大多数系统一样，第一件事是定义最差情况下的系统性能要求。对高性能接收机来说，主要指标有灵敏度(能够接收微弱信号)、选择性(能够抑制不想要的信号)以及确定信号链总体线性度的各种方式。线性度非常重要，因为接收多个信号(或单个大信号)的非线性电路将造成难以与实际信号区分的伪信号。与高保真音响发烧友一样，无线电性能痴迷者(无线电发烧友)也有某些测试用例和广播环境可以用来判断一个无线电设备的真实性能。 灵敏度实际上是最容易实现的指标。设计一个具有足够低噪声系数的高频频谱(3-30MHz)接收机相对比较容易，因为系统本底噪声取决于大气噪声，而非接收机噪声。普遍接受的业余无线电接收机最小可分辨信号(MDS)测试用于确定输入射频功率电平，与没有输入信号相比，它需将窄带(500Hz左右)的音频输出提升3dB。大多数现代接收机的MDS指标在-135dBm数量级。 业余无线电是不使用特定离散信道(最近分配的60米频段是使用固定信道的唯一业余无线电频段)的少数几个需要执照的高频无线服务之一。在任何给定的频段，无线电台可以免费使用其它台不在使用的任何频率。信号间隔可能极其小。考虑如图1所示的频谱图形。这张图显示了在2kHz带宽(小于一个典型单边带话音信号的宽度)内有7个单独的连续波莫尔斯码信号。 图1：这幅图的上半部分显示的是在这个频谱分析仪显示屏上占用不到一个单边带话音信号的带宽内有7个连续波信号。下半部分是相同信号的一种滚动“瀑布”图。 选择性可以通过模拟滤波(通常用多极点晶格滤波器)、DSP或两者的组合来实现。模拟/数字滤波的最佳平衡以及在信号路径的何处应用是成本/性能折衷考虑的主要因素，并且伴随着每一代无线电设计在不断改变……就像任何其它系统一样。 线性度是很困难的指标，它决定了一个无线电设备在遇到其它相邻信号时的性能有多好。可以使用各种测试方法来判断一个无线电设备的性能，但即使是针对想要的测试条件构建一个象样的测试装置也很具挑战性。 在一个存在线性问题的接收机中，输入信号足够大就会产生杂散信号。例如，位于1823.5kHz(f1)和1824.0kHz(f2)的信号可能会在2f1-f2或1823kHz处产生三阶互调分量，这个分量正好落在通带中。一旦出现这种情况，无论什么样的滤波方法都无法消除这个信号，因为后面的电路没有办法将它与实际信号区分开来。 当接收机前端出现大量信号时，问题将更加严重。图2显示了在常见的操作过程中产生的50kHz频谱片段。 图2：在常见的广播竞赛中捕获到的这张图显示超过100个不同的信号共享一个50kHz带宽。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 针对测试的设计 在过去十多年中，独立出版的收发器性能评论对购买决策来说正变得越来越重要。目前有两个主要的美国评论资源。第一个是QST杂志，由美国无线电传播联盟(ARRL， www.arrl.org )出版。QST产品评论中使用的测试方法随着时间的推移还在不断增加新的测试项目，目的是提高评估无线电性能的能力，其中包含了制造商声明的指标和实际实验室测量值之间的比较。 另外一个备受尊敬的产品评论资源是Sherwood Engineering( www.sherweng.com )。其经营者Rob Sherwood几十年来一直在从事接收机性能测试，他提供的配套滤波器套件可用来提高接收器性能。 当新的收发机上市时，Sherwood都会做一个彻底的评估，并在他曾测试的几乎每台高端接收机清单中增加测量得到的性能数据。位于Sherwood清单(根据封装空间互调测试结果排名)和QST评论前列的无线电设备厂商可以自豪地声明他们的接收机具有最高的性能。 在写这篇文章的时候，Yaesu FTDX5000D和Elecraft K3位于清单前列，其中Yaesu的无线电设备在ARRL测试中表现出较高的三阶截取(IP3)指标。事实上，这两种接收机在封闭空间动态范围测试中的表现是如此之好，以致于测量都受到了相位噪声的限制(这些无线电设备具有很低的相位噪声！)。 与前代高端无线电设备相比，这些接收机取得如此高分的原因是改变了测试方法，并且重点放在不同的性能指标上。过去，互调测试是在相对宽的信号间距——通常是20kHz上进行的。这意味着第一个中频滤波器可能是5kHz或10kHz宽，而且仍能很好地防止从理想信号消除的20kHz和40kHz信号遇到可能引入非线性的放大器或第二个混频器。许多制造商采用的上变频架构中的第一个中频高于信号频率，从而允许使用更便宜、更小的滤波器，并可以更方便地实现全频段覆盖。 然而，随着性能测试逐渐使用更小间距的两个测试信号(2kHz)，采用在第一个(上变频的)中频点适度滤波的许多接收机表现出极差的性能，因为两个信号都会通过宽滤波器，并穿过不理想的增益与混频级电路。一些制造商回过头去使用较低的中频频率，并开始使用在第一个中频点变得可用的更窄的“修平”滤波器。例如，Yaesu无线电设备在9MHz中频级电路中使用了一个300Hz的滤波器。再加上为了在大信号条件下提供良好线性度而设计的前端，互调动态范围测量就超出了ARRL的正常测试范围，并变得受相位噪声的限制。 在计算型IP3测试中，Yaesu接收机在20kHz和2kHz处的测量值分别是+41dBm和+40dBm，也超出了ARRL的图表范围(Elecraft无线电设备的这个测量值是+29dBm和+28dBm)。 针对这个“互调动态范围”的测试方法是将接收机调谐到期望互调分量的频率，并引入两个干扰源作为间距2kHz的载频，同时提高它们的幅度，直到音频输入电平高过本底噪声3dB。IMD阻塞指数是输入电平和MDS之差，对高性能接收机来说一般接近100dB。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 另外一个难以满足的指标 在超外差式接收机中，输入射频信号通过与可调本振(LO)混频将有用的信号移动到中频段，并进行滤波和放大。本振是非理想的电路，会产生想要频率的信号，也会在这个信号两边扩展出噪声。形成这些噪声边带的机制有很好的文章介绍，它们取决于振荡器设计，比如是简单的LC调谐电路，还是基于锁相环(PLL)或直接数字合成(DDS)的设计。在PLL中，环路带宽决定了相位噪声，也是稳定时间和步长的折衷结果。 无线电接收机中的本振相位噪声效应也经常被称为“相互混频噪声”，测试它的方法是将一个非常纯净的稳定连续波信号应用于待测接收机，然后通过调谐使其远离信号，同时观察在噪声中的上升情况。原则上，如果本振设计理想的话，本振噪声的下变频和检测方式与具有噪声边带的输入信号检测是一样的。 早期的接收机使用模拟LC振荡器产生可调谐的本振，有时也会结合一组固定频率的外差振荡器来扩展范围。利用分立元件实现的PLL技术在20世纪70年代变得流行起来，但在制造商实现理想相位噪声之前也经过了许多反复。 随着20世纪90年代直接数字合成技术(DDS)的普及，收发机制造商开始用DDS来生产具有更低相位噪声的本振。最终随着PLL和DDS芯片性能和集成度的不断提高，将两者结合起来的创新方法可以得到非常优秀的结果。为了使这种应用达到最高可能的性能，大多数收发机设计师使用一体化的PLL与DDS芯片，同时用外部元件和远低于它们最大额定频率的芯片进一步增强它们的性能。 Ten-Tec Orion系列收发机就是使用这种PLL与DDS技术组合达到了特别高的性能。图3显示了这种收发机的功能框图。这个电路的完整描述和详细原理图见 https://www.tentec.com/downloads/manuals/566/566_syn_article.pdf 。 图3：TenTec Orion系列收发机中的本振合成器使用了一对UHF VCO和分频器，并结合PLL和DDS技术达到了超低的闭环相位噪声。 针对高侧注入混频器方案，本振需以1Hz步长从10.8MHz调谐到39MHz，当调谐1.8MHz至30MHz高频频谱时将产生9MHz的中频输出。在工作中实际有两个PLL环路。一个稳定的TCXO和分频器产生两个频率固定为44.55MHz和7.425MHz的输出。7.425MHz信号是粗PLL/VCO的基准频率，这个PLL/VCO的输出可调范围从549MHz至787MHz，步长为7.425MHz。 44.55MHz信号用作DDS的基准。DDS的输出可调范围从2MHz至9.425MHz，步长是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz，这个输出将成为使用VCO的锁相环的基准，而锁相环的输出可调范围从541MHz至780MHz，步长同样是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz。然后使用第一个PLL的输出作为本振对该信号进行下变频，下变频输出的信号被锁相到DDS输出。 VCO输出也要经20、30、40或60分频为每个频段产生必要的输出范围和1Hz调谐步长。这个电路的DDS芯片最高额定输出频率为300MHz，但工作在低得多的频率，因为杂散输出经判断远高于10MHz，会在本振电路中形成伪信号。 这个设计可以取得非常低的相位噪声，频偏很小时在130dBc/Hz数量级。这种架构的一个有趣的副作用是，当分频比提高时，任何给定频偏处的相位噪声会降低，因而在更低频段会有更低的相位噪声。这是很有好处的，因为在较低频段，相对本地电台的远距离电台信号要比较高频段弱很多。 Elecraft的高端K3收发机在本振产生中使用了不同的方法。设计中同时使用了PLL和DDS技术。图3显示了K3合成器的框图。完整的原理图请参考 http://www.elecraft.com/manual/K3_Schematics_Jun_2010.pdf 。 图4：Elecraft的本振合成器同时使用PLL和DDS技术以及多频段软件控制VCO实现高性能和低功耗。 主频基准是一个固定在49.380MHz的温度补偿型晶振(TCXO)。低功耗的75MHz DDS芯片用来产生PLL的基准，但DDS工作在8.215MHz，只能在很窄的范围(±2kHz，步长0.2Hz)内调整。输出经过一个大约1.2kHz宽的4极点晶体滤波器滤除所有杂讯。一个简单的PLL和一个3极点有源环路滤波器用于可调本振。同时采用了一个复杂的分立VCO设计，总共使用了128个不同的LC储能电路组合，具体由软件根据8MHz至48MHz调谐范围段进行选择。 这两种方法都可以实现优秀的相位噪声性能，如表1所示。 表1：三种高性能收发机的相互混频噪声测量结果比较。三种不同的设计产生完全不同的结果，但所有结果都很优秀(来源：Sherwood Engineering)。 K3收发机是一种模块化设计，一个可选项是增加一个完整的第二条接收链或子接收机。子接收机可以用来监听另一个频率，或监听与主接收机相同的频率，但有一根单独的接收天线，可利用不同方向减小干扰或衰落。第二个可选项被称为分集接收。在一些收发机中，子接收机的性能较低，仅提供有限的分集性能。而K3中的子接收机与主接收机是一样的，本振经相位锁定到主接收机本振，可产生真正的分集接收效果。 TenTec Orion系列和K3都使用DSP进行检测和最终的接收机滤波。Orion中的第一个中频是9MHz，包含窄的修平滤波器。第二个中频位于455kHz。第三个中频位于14kHz，提供给为高性能音频系统设计的24位模数转换器使用。在K3中，第一级8.215MHz中频电路的输出将与固定为8.230MHz频率的本振混频，经下变频到15kHz的第二个中频。信号在这里被原本也是为高性能音频系统开发的24位模数转换器数字化。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 现在情况完全不同了 Microtelecom公司在 Perseus软件定义接收机 中采用了不同的接收机设计方法，这种方法也许可以认为是强力数字化方法。Perseus接收机具有特别简单的框图，见图5。先是一个前端无源衰减器和滤波器，然后是放大器电路，后面连接着非常宽带的模数转换器，最后是可编程的数字下变频器(DDC)和USB接口。 用FPGA实现的DDC包含一个数字控制的本振(全数字)和一个正交数字混频器，能以100、200或400ksps的速率向USB接口提供基带I/Q输出信号。PC软件对接收机进行控制，并在PC处理器中执行信号检测和解调功能。 图5：Microtelecom的Perseus接收机使用直接射频采样模数转换器和软件无线电架构，避免了模拟接收机的不完善性，但需要使用PC和软件进行信号解调。 整个系统的性能可以与传统全模拟和混合模拟/DSP设计一比。例如，本振相位噪声基本消除了，因为根本就没有本振！唯一的相互混频噪声源是模数转换器中的采样抖动和时钟振荡器中的相位噪声，而时钟振荡器是一个固定频率的高稳定性晶振，非常干净。 聪明的读者会注意到，与TenTec和Elecraft的无线电设备中使用的24位模数转换器不同，Perseus只使用14位的模数转换器分辨率。由于14位模数转换器只能提供约86dB的理论信噪比(事实上，Perseus使用的LTC2206-14模数转换器只能提供大约77dB的信噪比)，这意味着Perseus的可用动态范围要比采用更高模数转换分辨率的其它无线电设备小很多。 然而，包括量化效应和所有其它噪声源在内的这种噪声或多或少会在这种80MSPS模数转换器的整个带宽(从直流到Fs/2(或40MHz))上均匀扩展。如果我们只是关心这个带宽的一小段，比方说500Hz，并用数字滤波器滤除所有其它噪声，那么该带宽内的噪声等于10log(40MHz/500Hz),或低49dB。 这意味着最小可分辨信号电平应低于模数转换器满刻度电平77+49dB或126dB。模数转换器和预放的满刻度电平大约为-6dBm，因此最小可分辨信号实际上是-6减去126即-132dBm，与在模拟域执行大多数滤波并在信号路径末端使用更低速度更高分辨率模数转换器的传统接收机基本一致。 那么这种全数字方法有什么缺点呢？与前面所述的其它收发机不同，Perseus要求使用PC和软件。这种情况下没有耳机或扬声器插座——PC声卡要为用户产生音频信号。也不包含调谐旋钮，因为调谐由PC软件完成。然而，这种方法在将软件无线电技术带到消费价位方面前进了一大步，而且从技术角度看，软件无线电可以达到与混合模拟/数字接收机设计媲美的性能。 原文作者：Doug Grant 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

之前在EDN上发表过的文章 《21世纪的业余无线电》 引起了人们诸多的兴趣，人们对这个业余爱好的各个方面也提出了许多问题。本文撰写的动机也是源于这方面的兴趣，但不只限于业余无线电。本文讨论了工程师在设计各种电子设备时每天都在考虑的设计折衷问题。高频收发机在这里用作例证。 无线电设计在很多方面类似其它设备设计 针对业余无线电开发的现代高性能收发机设计实际上与许多其它系统设计没有太多区别。例如，数量不是太多，典型型号一年的用量为几千台。这种设计不能使用ASIC，因为大多数ASIC要求大得多的批量才能满足经济上的可行性。另外，适中的数量通常不会吸引大型半导体公司的产品规划师。 这意味着设计工程师不能依靠简单地组合一些特殊应用芯片就称之为硬件设计。他们也不能依靠制造商提供可以生产的参考设计，像PC、蜂窝电话和平板电脑等大批量市场中的做法是行不通的。相反，工程师们必须精心挑选许多元器件，并设法使它们在一起协调工作，最终满足系统性能目标要求。除了激发工程师的创造性外，还要尝试使用所有可用的技术才能让新产品成功上市，并满足性能和成本目标。 与大多数系统一样，产品同样要求符合相关政府部门的法律法规。对业余无线电收发机来说，政府机构最关心的是发射信号的纯度，避免干扰到其它服务。在美国，适用法规是47CFR97.313(d)，“……来自发送频率低于30MHz的基站发射机或外部射频功放的任何杂散辐射平均功率至少要比基频发射平均功率低43dB。”大多数业余无线电收发机是针对全球销售设计的，因此在销售前必须符合种类繁多的其它区域标准(例如CE)。 除了政府法规外，用户对性能也非常敏感——通常愿意为高性能支付更多的费用。实际上对许多工业系统、测试与测量仪器以及医疗设备来说都是这种情况。在低性能系统领域，价格是主要指标，利润非常微薄。换句话说，专注于高性能可以得到良好的回报。 本文将主要讨论几款现代高性能业余无线电收发机的接收侧设计。市场上还有其它的高频收发机，它们是针对商业和政府应用设计的，相比于个人消费者，这些客户可以负担更高的价格。提供高性能的同时满足消费者心理价位将给设计任务增加额外的挑战。 与大多数系统一样，第一件事是定义最差情况下的系统性能要求。对高性能接收机来说，主要指标有灵敏度(能够接收微弱信号)、选择性(能够抑制不想要的信号)以及确定信号链总体线性度的各种方式。线性度非常重要，因为接收多个信号(或单个大信号)的非线性电路将造成难以与实际信号区分的伪信号。与高保真音响发烧友一样，无线电性能痴迷者(无线电发烧友)也有某些测试用例和广播环境可以用来判断一个无线电设备的真实性能。 灵敏度实际上是最容易实现的指标。设计一个具有足够低噪声系数的高频频谱(3-30MHz)接收机相对比较容易，因为系统本底噪声取决于大气噪声，而非接收机噪声。普遍接受的业余无线电接收机最小可分辨信号(MDS)测试用于确定输入射频功率电平，与没有输入信号相比，它需将窄带(500Hz左右)的音频输出提升3dB。大多数现代接收机的MDS指标在-135dBm数量级。 业余无线电是不使用特定离散信道(最近分配的60米频段是使用固定信道的唯一业余无线电频段)的少数几个需要执照的高频无线服务之一。在任何给定的频段，无线电台可以免费使用其它台不在使用的任何频率。信号间隔可能极其小。考虑如图1所示的频谱图形。这张图显示了在2kHz带宽(小于一个典型单边带话音信号的宽度)内有7个单独的连续波莫尔斯码信号。 图1：这幅图的上半部分显示的是在这个频谱分析仪显示屏上占用不到一个单边带话音信号的带宽内有7个连续波信号。下半部分是相同信号的一种滚动“瀑布”图。 选择性可以通过模拟滤波(通常用多极点晶格滤波器)、DSP或两者的组合来实现。模拟/数字滤波的最佳平衡以及在信号路径的何处应用是成本/性能折衷考虑的主要因素，并且伴随着每一代无线电设计在不断改变……就像任何其它系统一样。 线性度是很困难的指标，它决定了一个无线电设备在遇到其它相邻信号时的性能有多好。可以使用各种测试方法来判断一个无线电设备的性能，但即使是针对想要的测试条件构建一个象样的测试装置也很具挑战性。 在一个存在线性问题的接收机中，输入信号足够大就会产生杂散信号。例如，位于1823.5kHz(f1)和1824.0kHz(f2)的信号可能会在2f1-f2或1823kHz处产生三阶互调分量，这个分量正好落在通带中。一旦出现这种情况，无论什么样的滤波方法都无法消除这个信号，因为后面的电路没有办法将它与实际信号区分开来。 当接收机前端出现大量信号时，问题将更加严重。图2显示了在常见的操作过程中产生的50kHz频谱片段。 图2：在常见的广播竞赛中捕获到的这张图显示超过100个不同的信号共享一个50kHz带宽。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 针对测试的设计 在过去十多年中，独立出版的收发器性能评论对购买决策来说正变得越来越重要。目前有两个主要的美国评论资源。第一个是QST杂志，由美国无线电传播联盟(ARRL， www.arrl.org )出版。QST产品评论中使用的测试方法随着时间的推移还在不断增加新的测试项目，目的是提高评估无线电性能的能力，其中包含了制造商声明的指标和实际实验室测量值之间的比较。 另外一个备受尊敬的产品评论资源是Sherwood Engineering( www.sherweng.com )。其经营者Rob Sherwood几十年来一直在从事接收机性能测试，他提供的配套滤波器套件可用来提高接收器性能。 当新的收发机上市时，Sherwood都会做一个彻底的评估，并在他曾测试的几乎每台高端接收机清单中增加测量得到的性能数据。位于Sherwood清单(根据封装空间互调测试结果排名)和QST评论前列的无线电设备厂商可以自豪地声明他们的接收机具有最高的性能。 在写这篇文章的时候，Yaesu FTDX5000D和Elecraft K3位于清单前列，其中Yaesu的无线电设备在ARRL测试中表现出较高的三阶截取(IP3)指标。事实上，这两种接收机在封闭空间动态范围测试中的表现是如此之好，以致于测量都受到了相位噪声的限制(这些无线电设备具有很低的相位噪声！)。 与前代高端无线电设备相比，这些接收机取得如此高分的原因是改变了测试方法，并且重点放在不同的性能指标上。过去，互调测试是在相对宽的信号间距——通常是20kHz上进行的。这意味着第一个中频滤波器可能是5kHz或10kHz宽，而且仍能很好地防止从理想信号消除的20kHz和40kHz信号遇到可能引入非线性的放大器或第二个混频器。许多制造商采用的上变频架构中的第一个中频高于信号频率，从而允许使用更便宜、更小的滤波器，并可以更方便地实现全频段覆盖。 然而，随着性能测试逐渐使用更小间距的两个测试信号(2kHz)，采用在第一个(上变频的)中频点适度滤波的许多接收机表现出极差的性能，因为两个信号都会通过宽滤波器，并穿过不理想的增益与混频级电路。一些制造商回过头去使用较低的中频频率，并开始使用在第一个中频点变得可用的更窄的“修平”滤波器。例如，Yaesu无线电设备在9MHz中频级电路中使用了一个300Hz的滤波器。再加上为了在大信号条件下提供良好线性度而设计的前端，互调动态范围测量就超出了ARRL的正常测试范围，并变得受相位噪声的限制。 在计算型IP3测试中，Yaesu接收机在20kHz和2kHz处的测量值分别是+41dBm和+40dBm，也超出了ARRL的图表范围(Elecraft无线电设备的这个测量值是+29dBm和+28dBm)。 针对这个“互调动态范围”的测试方法是将接收机调谐到期望互调分量的频率，并引入两个干扰源作为间距2kHz的载频，同时提高它们的幅度，直到音频输入电平高过本底噪声3dB。IMD阻塞指数是输入电平和MDS之差，对高性能接收机来说一般接近100dB。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 另外一个难以满足的指标 在超外差式接收机中，输入射频信号通过与可调本振(LO)混频将有用的信号移动到中频段，并进行滤波和放大。本振是非理想的电路，会产生想要频率的信号，也会在这个信号两边扩展出噪声。形成这些噪声边带的机制有很好的文章介绍，它们取决于振荡器设计，比如是简单的LC调谐电路，还是基于锁相环(PLL)或直接数字合成(DDS)的设计。在PLL中，环路带宽决定了相位噪声，也是稳定时间和步长的折衷结果。 无线电接收机中的本振相位噪声效应也经常被称为“相互混频噪声”，测试它的方法是将一个非常纯净的稳定连续波信号应用于待测接收机，然后通过调谐使其远离信号，同时观察在噪声中的上升情况。原则上，如果本振设计理想的话，本振噪声的下变频和检测方式与具有噪声边带的输入信号检测是一样的。 早期的接收机使用模拟LC振荡器产生可调谐的本振，有时也会结合一组固定频率的外差振荡器来扩展范围。利用分立元件实现的PLL技术在20世纪70年代变得流行起来，但在制造商实现理想相位噪声之前也经过了许多反复。 随着20世纪90年代直接数字合成技术(DDS)的普及，收发机制造商开始用DDS来生产具有更低相位噪声的本振。最终随着PLL和DDS芯片性能和集成度的不断提高，将两者结合起来的创新方法可以得到非常优秀的结果。为了使这种应用达到最高可能的性能，大多数收发机设计师使用一体化的PLL与DDS芯片，同时用外部元件和远低于它们最大额定频率的芯片进一步增强它们的性能。 Ten-Tec Orion系列收发机就是使用这种PLL与DDS技术组合达到了特别高的性能。图3显示了这种收发机的功能框图。这个电路的完整描述和详细原理图见 https://www.tentec.com/downloads/manuals/566/566_syn_article.pdf 。 图3：TenTec Orion系列收发机中的本振合成器使用了一对UHF VCO和分频器，并结合PLL和DDS技术达到了超低的闭环相位噪声。 针对高侧注入混频器方案，本振需以1Hz步长从10.8MHz调谐到39MHz，当调谐1.8MHz至30MHz高频频谱时将产生9MHz的中频输出。在工作中实际有两个PLL环路。一个稳定的TCXO和分频器产生两个频率固定为44.55MHz和7.425MHz的输出。7.425MHz信号是粗PLL/VCO的基准频率，这个PLL/VCO的输出可调范围从549MHz至787MHz，步长为7.425MHz。 44.55MHz信号用作DDS的基准。DDS的输出可调范围从2MHz至9.425MHz，步长是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz，这个输出将成为使用VCO的锁相环的基准，而锁相环的输出可调范围从541MHz至780MHz，步长同样是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz。然后使用第一个PLL的输出作为本振对该信号进行下变频，下变频输出的信号被锁相到DDS输出。 VCO输出也要经20、30、40或60分频为每个频段产生必要的输出范围和1Hz调谐步长。这个电路的DDS芯片最高额定输出频率为300MHz，但工作在低得多的频率，因为杂散输出经判断远高于10MHz，会在本振电路中形成伪信号。 这个设计可以取得非常低的相位噪声，频偏很小时在130dBc/Hz数量级。这种架构的一个有趣的副作用是，当分频比提高时，任何给定频偏处的相位噪声会降低，因而在更低频段会有更低的相位噪声。这是很有好处的，因为在较低频段，相对本地电台的远距离电台信号要比较高频段弱很多。 Elecraft的高端K3收发机在本振产生中使用了不同的方法。设计中同时使用了PLL和DDS技术。图3显示了K3合成器的框图。完整的原理图请参考 http://www.elecraft.com/manual/K3_Schematics_Jun_2010.pdf 。 图4：Elecraft的本振合成器同时使用PLL和DDS技术以及多频段软件控制VCO实现高性能和低功耗。 主频基准是一个固定在49.380MHz的温度补偿型晶振(TCXO)。低功耗的75MHz DDS芯片用来产生PLL的基准，但DDS工作在8.215MHz，只能在很窄的范围(±2kHz，步长0.2Hz)内调整。输出经过一个大约1.2kHz宽的4极点晶体滤波器滤除所有杂讯。一个简单的PLL和一个3极点有源环路滤波器用于可调本振。同时采用了一个复杂的分立VCO设计，总共使用了128个不同的LC储能电路组合，具体由软件根据8MHz至48MHz调谐范围段进行选择。 这两种方法都可以实现优秀的相位噪声性能，如表1所示。 表1：三种高性能收发机的相互混频噪声测量结果比较。三种不同的设计产生完全不同的结果，但所有结果都很优秀(来源：Sherwood Engineering)。 K3收发机是一种模块化设计，一个可选项是增加一个完整的第二条接收链或子接收机。子接收机可以用来监听另一个频率，或监听与主接收机相同的频率，但有一根单独的接收天线，可利用不同方向减小干扰或衰落。第二个可选项被称为分集接收。在一些收发机中，子接收机的性能较低，仅提供有限的分集性能。而K3中的子接收机与主接收机是一样的，本振经相位锁定到主接收机本振，可产生真正的分集接收效果。 TenTec Orion系列和K3都使用DSP进行检测和最终的接收机滤波。Orion中的第一个中频是9MHz，包含窄的修平滤波器。第二个中频位于455kHz。第三个中频位于14kHz，提供给为高性能音频系统设计的24位模数转换器使用。在K3中，第一级8.215MHz中频电路的输出将与固定为8.230MHz频率的本振混频，经下变频到15kHz的第二个中频。信号在这里被原本也是为高性能音频系统开发的24位模数转换器数字化。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 现在情况完全不同了 Microtelecom公司在 Perseus软件定义接收机 中采用了不同的接收机设计方法，这种方法也许可以认为是强力数字化方法。Perseus接收机具有特别简单的框图，见图5。先是一个前端无源衰减器和滤波器，然后是放大器电路，后面连接着非常宽带的模数转换器，最后是可编程的数字下变频器(DDC)和USB接口。 用FPGA实现的DDC包含一个数字控制的本振(全数字)和一个正交数字混频器，能以100、200或400ksps的速率向USB接口提供基带I/Q输出信号。PC软件对接收机进行控制，并在PC处理器中执行信号检测和解调功能。 图5：Microtelecom的Perseus接收机使用直接射频采样模数转换器和软件无线电架构，避免了模拟接收机的不完善性，但需要使用PC和软件进行信号解调。 整个系统的性能可以与传统全模拟和混合模拟/DSP设计一比。例如，本振相位噪声基本消除了，因为根本就没有本振！唯一的相互混频噪声源是模数转换器中的采样抖动和时钟振荡器中的相位噪声，而时钟振荡器是一个固定频率的高稳定性晶振，非常干净。 聪明的读者会注意到，与TenTec和Elecraft的无线电设备中使用的24位模数转换器不同，Perseus只使用14位的模数转换器分辨率。由于14位模数转换器只能提供约86dB的理论信噪比(事实上，Perseus使用的LTC2206-14模数转换器只能提供大约77dB的信噪比)，这意味着Perseus的可用动态范围要比采用更高模数转换分辨率的其它无线电设备小很多。 然而，包括量化效应和所有其它噪声源在内的这种噪声或多或少会在这种80MSPS模数转换器的整个带宽(从直流到Fs/2(或40MHz))上均匀扩展。如果我们只是关心这个带宽的一小段，比方说500Hz，并用数字滤波器滤除所有其它噪声，那么该带宽内的噪声等于10log(40MHz/500Hz),或低49dB。 这意味着最小可分辨信号电平应低于模数转换器满刻度电平77+49dB或126dB。模数转换器和预放的满刻度电平大约为-6dBm，因此最小可分辨信号实际上是-6减去126即-132dBm，与在模拟域执行大多数滤波并在信号路径末端使用更低速度更高分辨率模数转换器的传统接收机基本一致。 那么这种全数字方法有什么缺点呢？与前面所述的其它收发机不同，Perseus要求使用PC和软件。这种情况下没有耳机或扬声器插座——PC声卡要为用户产生音频信号。也不包含调谐旋钮，因为调谐由PC软件完成。然而，这种方法在将软件无线电技术带到消费价位方面前进了一大步，而且从技术角度看，软件无线电可以达到与混合模拟/数字接收机设计媲美的性能。 原文作者：Doug Grant 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载