基于軟件無(wú)線電跳頻電臺(tái)射頻前端的研究

1、第19卷第11期電子設(shè)計(jì)工程Vol.19No.11ElectronicDesignEngineering2011年6月Jun.2011基于軟件無(wú)線電跳頻電臺(tái)射頻前端的研究朱敏超，趙利（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）摘要：基于軟件無(wú)線電的基本要求和發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種應(yīng)用在軟件無(wú)線電跳頻電臺(tái)中寬頻段接收機(jī)的前端電路設(shè)計(jì)方案，分析了接收機(jī)射頻前端二次混頻方案結(jié)構(gòu)的可行性，在對(duì)方案中各功能模塊研究分析的基礎(chǔ)上，完成了射頻前端的濾波器、混頻器、放大器等各模塊的設(shè)計(jì)工作，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，接收機(jī)前端電路噪聲系數(shù)低，鏡像抑制良好，增益合理，選擇性合

2、適，均滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電；超外差；射頻前端；ADS中圖分類號(hào)：TP393.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16746236（2011）11-0001-03ResearchonRFfrontendsofhoppingradiobasedonsoftwareradioZHUMin-chao，ZHAOLi（CollegeofInformationandCommunication，GuilinElectronicUniversityofTechnology，Guilin541004，China）Abstract：Basedontheelementalrequirementsanddevelo

3、pmentofsoftwareradio，thepaperproposesadesignscheme，whichisappliedtothewide-frequencyreceiveroffrequencyhoppingradioofsoftwareradio，whatsmore，thepaperanalyseswhetherthesecondarymixingschemeoftheRFfrontendscanworkornot，andamodelofthesystemisbuiltandverifiedthroughsimulating.Moreover，differentfunctionm

4、odules，thefilter，themixeraswellastheamplifieroftheRFfrontendsaredesignedtomeettheneedofthereceiverslownoisecoefficient,goodinhibitingofmirroring，thepropergainandrightselectivity.Keywords：softwareradio；superheterodyne；RFfrontends；ADS隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，電子器件制作工藝的提升，A/D、混頻的結(jié)構(gòu)，整個(gè)射頻前端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增益為110dB，系統(tǒng)噪聲為3dB。其原理框圖如

5、圖1所示。由圖1可以看出，選頻濾波器后的放大器為低噪聲放大器（LNA），LNA的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)起決定性的作用。設(shè)計(jì)時(shí)在增益、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、VSWR、穩(wěn)定性等指標(biāo)之間進(jìn)行平衡。第一級(jí)混頻通過(guò)PLL改變第一級(jí)本振頻率，以接收不同信道的射頻信號(hào)，經(jīng)下變頻把接收信號(hào)搬移到中頻為70MHz、頻率帶寬為10MHz的頻帶上。D/A的取樣速率越來(lái)越高，無(wú)線電臺(tái)中的數(shù)字處理不斷往射頻前端推進(jìn)，信道可重構(gòu)的能力不斷得到提升，系統(tǒng)可以直接從中頻采樣，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理1。本方案接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)基于軟件無(wú)線電理論來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到建立一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真平臺(tái)的目標(biāo)。

6、以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)低噪聲系數(shù)，小的互調(diào)失真，大的動(dòng)態(tài)范圍和鏡像抑制，良好的AGC，足夠的增益和正確的選擇性等設(shè)計(jì)要求2。通過(guò)對(duì)接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)方案可行性分析和利用射頻電路仿真軟件ADS3-4進(jìn)行系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)與參數(shù)仿真，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)射頻前端電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。1射頻前端系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及可行性分析本接收機(jī)射頻前端主要任務(wù)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、混頻、圖1接收機(jī)射頻前端原理框圖放大的功能，并對(duì)系統(tǒng)可能受到的鏡像干擾頻率、互調(diào)干擾頻率進(jìn)行抑制。系統(tǒng)功能模塊主要包括濾波器、混頻器、放大器及本振等。系統(tǒng)工作頻率范圍為100150MHz，其中每5Fig.1BlockdiagramofRFfront-endr

7、eceiver在此過(guò)程中，混頻器是一個(gè)非線性器件，會(huì)引入大量交調(diào)分量，使得混頻后出現(xiàn)大量的組合干擾頻率點(diǎn)，對(duì)有用信號(hào)造成嚴(yán)重的干擾，直接影響著接收機(jī)性能7。聲表波中頻濾10MHz帶寬作為一個(gè)信道用于跳頻調(diào)制6，采用超外差二次收稿日期：2011-03-11稿件編號(hào)：201103064基金項(xiàng)目：廣西壯族自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（2010105950810M10）作者簡(jiǎn)介：（1986），男，。研究方向：射頻通信。電子設(shè)計(jì)工程2011年第11期波器針對(duì)混頻可能出現(xiàn)的鏡像頻率干擾，進(jìn)行對(duì)中頻信號(hào)高品質(zhì)的頻率選擇性濾波，達(dá)到提高鏡像頻率抑制的設(shè)計(jì)目標(biāo)。第二級(jí)混頻把中頻為6575MHz的頻帶信號(hào)搬移到2.1

8、射頻前端系統(tǒng)建模與性能仿真及分析射頻前端系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)運(yùn)用ADS2008軟件對(duì)接收機(jī)射頻前端建模，設(shè)置各模塊1020MHz，如圖2所示（虛線為一次混頻鏡像頻率，灰色為第二次混頻鏡像頻率）。由于其工作頻率相對(duì)較低，二次混頻后的頻帶信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制放大器級(jí)聯(lián)放大產(chǎn)生72dB左右的增益，其高增益也更容易實(shí)現(xiàn)、更穩(wěn)定8。參數(shù)，選頻濾波器針對(duì)輸入射頻信號(hào)100150MHz進(jìn)行濾波。LNA噪聲系數(shù)3dB,增益24dB，鎖相環(huán)輸出本振信號(hào)分別為175、185、195、205、215MHz。SAW中頻濾波器中心頻率為70MHz，頻率帶寬10MHz。一次混頻和二次混頻后中頻放大器分別產(chǎn)生28dB和72dB增益

9、，如圖3所示。2.2射頻前端系統(tǒng)頻帶選擇性仿真接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)的頻帶選擇性的性能，主要由射頻圖2頻譜及鏡像分析圖前端的選頻網(wǎng)絡(luò)所決定。采用傳統(tǒng)LC濾波器，通過(guò)調(diào)節(jié)第一級(jí)本振的輸入頻率，改變選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率，設(shè)置本振為Fig.2Spectrumandimageanalysischart圖3接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真框圖Fig.3BlockdiagramofreceiverRFfront-endsystemsimulation195MHz，實(shí)現(xiàn)對(duì)120130MHz射頻信號(hào)的下變頻處理。在ADS中搭建第一級(jí)混頻電路模塊的仿真原理圖。由圖4可以看出，接收機(jī)在123MHz處最大增益為20.827dB，也

10、就是真電路圖是一次混頻系統(tǒng)原理圖，其中本振頻率LO=195MHz。信道選擇性仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，信號(hào)在120MHz處系統(tǒng)有最大增益約為13.46dB；通頻帶為10MHz，增益在11dB以上。接收信號(hào)都集中在信道帶寬10MHz范圍內(nèi)，帶內(nèi)波動(dòng)很小，避免了接收到的信號(hào)產(chǎn)生非線性失真。鄰道抑制達(dá)到-43dB左右，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。LNA的增益減去濾波器的插入損耗。選頻濾波器能很好對(duì)240290MHz鏡像干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。圖4選頻網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)仿真Fig.4SimulationoffrequencyselectivenetworkSparameters圖5信道選擇性仿真2.3射頻前端系統(tǒng)信

11、道選擇性仿真信道選擇功能主要由聲表波SAW中頻濾波器完成。仿Fig.5Simulationofselectivity2朱敏超，等2.4基于軟件無(wú)線電跳頻電臺(tái)射頻前端的研究表1部分模塊增益和插入損耗本振輸出功率對(duì)射頻前端系統(tǒng)性能影響的仿真設(shè)置接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)的輸入信號(hào)功率RF_pwr=LNAGainTab.1GainandinsertionlossMixer6dBSAW12dBIFAmp28dBIFFilter3dBIFAmpCascade72dB-110dBm，當(dāng)一本振功率LO_pwr從-3010dBm變化時(shí)（間隔為1dBm），接收機(jī)輸出功率與LO_pwr之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出

12、，輸出功率電平隨著本振輸出功率的增加逐漸增大，當(dāng)本振功率大于-3dBm，輸出功率才逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于接收機(jī)而言，希望盡可能的提高本振輸出功率以達(dá)到更高的增益，但是這與系統(tǒng)的低功耗又相矛盾，需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)在盡可能高的中頻輸出功率和系統(tǒng)低功耗之間權(quán)衡。Loss24dBRFFilter3dB圖6本振輸出功率對(duì)中頻輸出功率影響的仿真圖7射頻前端系統(tǒng)增益仿真Fig.6SimulationresultofIFoutputpowerwithchangesintheoscillatoroutputpowerFig.7SimulationofRFfront-endsystemgain2.6射頻前端系統(tǒng)

13、頻域響應(yīng)特性仿真從圖8的仿真結(jié)果可以看到本方案接收機(jī)能夠按照設(shè)2.5射頻前端系統(tǒng)功率增益仿真為了能夠正常地接收信號(hào)，不被接收到的噪聲和接收機(jī)計(jì)預(yù)期將射頻信號(hào)的頻譜搬移到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中頻的頻帶范圍內(nèi)，也就是接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)的頻域響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。圖8可以直觀地看到輸入頻率信號(hào)的功率譜、一次變頻后中頻輸出信號(hào)功率譜和接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)輸出的頻率譜。中頻15MHz輸出的頻率點(diǎn)頻率成分單一，諧波得到很好抑制，不會(huì)對(duì)所需信號(hào)造成干擾。本身產(chǎn)生的噪聲所淹沒，就要求接收機(jī)必須產(chǎn)生合適的輸出功率電平來(lái)使器件正常工作?？紤]到器件的自身?yè)p耗，本方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體功率增益在110dB左右，如表1所示。系統(tǒng)功率增

14、益預(yù)算仿真結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)整機(jī)的功率增益在116dB左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。圖8系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性仿真Fig.8Simulationofthesystemfrequencyresponsecharacteristics3結(jié)束語(yǔ)本文在軟件無(wú)線電系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，對(duì)寬帶接收機(jī)射頻參考文獻(xiàn)：1揚(yáng)小牛，樓才義，徐建良.軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2001.前端系統(tǒng)采用超外差式二次混頻結(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真平臺(tái)。從性能仿真結(jié)果可以看出，該方案能夠很好地應(yīng)用在軟件無(wú)線電射頻前端電路中可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2范博.射頻電路原理與實(shí)用電路設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械

15、工業(yè)出版社，2006.3陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解射頻電路設(shè)計(jì)與仿（下轉(zhuǎn)第7頁(yè)）朱永嬌，等基于遺傳聚類的無(wú)線傳感器負(fù)載均衡路由算法onSystemSciences，2000:10-20.5劉新華，李方敏，曠海蘭，等.一種基于負(fù)載均衡的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式定向分簇算法J.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2009，46（12）:2044-2052.LIUXin-hua，LIFang-min，KUANGHai-lan，etal.Adis-tributedanddirectedclusteringalgorithmbasedonloadbal-anceforwirelesssensornetworkJ.C

16、omputerResearchandDevelopment，2009，46（12）:2044-2052.圖3不同算法節(jié)點(diǎn)消亡速率比較Fig.3Comparisononthenodesdeathrateofvariousalgorithms6潘志芳，章勇，劉大偉.一種鏈?zhǔn)椒执氐臒o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議J.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（6）:10-12，15.4結(jié)束語(yǔ)筆者提出一種負(fù)載均衡的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，充PANZhi-fang，ZHANGYong，LIUDa-wei.Energy-eficientchain-clusterroutingprotocolforwirelesssensorn

17、etworksJ.TransducerandMicrosystemTechnologies，2009，28（6）:10-12，15.7AkhtarkavanE，ShalmaniMTM.Energyadaptivecluster-headselectionforwirelesssensornetworksusingcenterofen-ergyMassC/Proceedingsof13thInternationalCSIComputerConference（CSICC2008），KishIsland，Iran，2008:130-137.8蘇錦旗，薛惠鋒，詹海亮.基于劃分的K-均值初始聚類中心優(yōu)化

18、算法J.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2009，26（1）:8-11.分結(jié)合了K均值算法的局部搜索特性與遺傳算法的全局尋優(yōu)能力，利用遺傳聚類思想以確定最優(yōu)簇?cái)?shù)，并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化分簇，使得各不同簇間負(fù)載趨于均衡。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法可有效均衡節(jié)點(diǎn)能量消耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，與其他分簇路由算法相比，其網(wǎng)絡(luò)壽命延長(zhǎng)了約43%。參考文獻(xiàn)：1沈玉龍，徐啟建，裴慶，等.基于柵格的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法J.通信學(xué)報(bào)，2009，30（11A）:96-100.SUJin-qi，XUEHui-feng，ZHANHai-liang.K-meansinitiallclusteringcenteroptimalalgor

19、ithmbasedonpartitioningJ.Microelectronics&Computer，2009，26（1）:8-11.9朱思峰，王華東，魏榮華.一種新型免疫遺傳算法J.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（36）:29-31.SHENYu-long，XUQi-jian，PEIQing，etal.WirelesssensornetworkroutingmethodbasedongridJ.JournalonCommu-nications，2009，30（11A）:96-100.2趙彤，郭田德，楊文國(guó).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗均衡路由模型及算法J.軟件學(xué)報(bào)，2009，20（11）:3023-

20、3033.ZHUSi-feng，WANGHua-dong，WEIRong-hua.Immunege-neticalgoithmbasedonantibodyJ.ComputerEngineeringandApplications，2009，45（36）:29-31.10HeinzelmanW，ChanrakasanA，BalakrishnanH.Anappli-cation-specificprotocolarchitectureforwirelessmicrosensornetworksJ.IEEETrans.OnWirelessCommunications，2002，1（4）:660-67

21、0.11陶文兵，田金文，柳健.基于遺傳算法和模糊熵的前視紅外圖像分割J.紅外與毫米波，2003，22（6）:465-468.ZHAOTong，GUOTian-de，YANGWen-guo.Energybalanc-ingroutingmodelanditsalgorithminwirelesssensornet-workJ.JournalofSoftware，2009，20（11）:3023-3033.3黃琛，房鼎益，陳曉江.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于非均勻分簇負(fù)載均衡路由算法J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26（9）:3475-3477.HUANGChen，F(xiàn)ANGDing-yi，CHENXiao-jiang.Novelload-balancedroutingalgorithmformulti-hopsensornetworksJ.ApplicationResearchofComputers，2009，26（9）:3475-3477.4HeinzelmanWR，Ch