發布日期：2022-05-20 點擊率：43
前言
現在的接收機大多是超外差結構，微弱的高頻無線信號經過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，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化系統，有利于單片系統的集成。同時信號的放大和濾波都主要在基帶進行，降低了能耗。因此直接下變頻接收機在無線通信領域受到了廣泛關注。
1直接下變頻接收機總體功能描述 
天線接收到的2.4G射頻信號首先經過天線匹配電路，在接收時隙內微弱的信號經過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，再通過低通濾波器完成信道選擇。得到的信號送入ADC中采樣，經后級的DSP處理恢復出原信號。
2 直接下變頻接收機關鍵部分的設計
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。由于射頻放大級的增益，使整個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和藍牙無線系統的高線性低噪放大器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，第一級是一個級聯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下的低噪聲，低功耗以及線性度。第二級也是一個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
接收機通過混頻器實現2.4G直接變頻到基帶，因此需要一個2.4G的本地振蕩信號，同時要求本振信號頻率精度和穩定度高，相位噪聲小。鎖相環是一種建立在相位負反饋基礎之上的閉環控制系統，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，可應用于無線射頻通信系統，是一款性價比很高的電荷泵鎖存芯片。 
在設計中，通過單片機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性電壓后從CP0輸出，經過3階環路濾波器濾出高頻干擾信號后，得到一穩定電壓來控制壓控振蕩器的輸出，最終的信號頻率被鎖定在2.4G上。
在ADF4360-1中主要有一個低噪聲鑒相器，一個精密電荷泵，一個可參考分頻器R，可編程A及B計數器，和一個雙模分頻器(P/P+1)，頻率合成器的分頻比為N,并且滿足N=B*P+A, 因為ADF4360-1里面集成了一個VCO，所以在芯片的外部加上一個環路濾波器就可以構成一個完整的鎖相環電路，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，滿足接收機的本振-16～-9 dBm的要求。圖4(b)為鎖定時間掃描圖，顯示頻率合成器在100us以內本振信號就鎖定在2.4G。 
圖4 (a)鎖相環實測圖
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，它提供了一個集成的射頻設計流程，可以對設計進行精確全面的建模，包括前端的仿真和后端的布局布線能力。我們對接收機的一些指標進行了仿真。
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）對系統進行諧波分析，圖中藍色表示原來的信號頻譜，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。
4 PCB設計中存在的問題和解決方法
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，匹配和電磁兼容問題。因此PCB材質選用RF4，該板材2.4G時的電介質常數為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，第二層布地線，第三層布電源線。高頻連線采用微帶線，微帶線在電路中連接輸入和輸出電路，一定特性阻抗的微帶線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行50歐姆的阻抗匹配，主要用的是表面微帶線。實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行計算和分析，得到微帶寬度為36mil（介質厚度20mil，銅厚1.4mil）。
直接下變頻接收機是一種先進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解決這些問題。
（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，這樣就會產生較大的直流信號，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，影響接收機的正常工作。本設計中有一個偏移調控電路，該電路通過交流耦合傳輸信號，同時在電路中產生一個高通濾波電路，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，它通過比較I/Q兩路信號在終端的輸出幅度，其誤差信號通過一個微分反饋網絡，調節放大器的增益控制回路，動態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
本文研究了直接下變頻接收機的原理和實現方案，并成功的用軟硬件平臺對其實現。本文的創新點在于成功的實現了直接下變頻接收機，在運用鎖相環電路實現2.4G本地振蕩信號，試驗結果表明在2.4G高頻之下鎖相環有鎖定時間短，相位噪聲小，性能穩定等優點。同時說明了實際工程中需要注意的問題和克服直接下變頻接收機固有缺陷的途徑，實測結果表明接收機性能良好，指標都達到了系統設計要求。
參考文獻
1.（美）路德維格(Ludwig.R)著；王子宇等譯.射頻電路設計——理論與應用.北京：電子工業出版社，2002，5
2.陳志恒，宋琦明.零中頻無線接收機理想、現實與演化.電子產品世界.
3. 袁偉，葛臨東.DDS+PLL短波頻率合成器設計.微計算機信息.2005,7(1)
4.徐健 孫大有.無線接收機RF前端研究.東南大學學報，2000，30(3)
5.李偉強，王四清.IS-95 CDMA手機射頻前端頻率合成器的設計.移動通信.
1
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 醫藥產業RFID的導入:
