2.4G直接下變頻接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)與研究
關(guān)鍵詞：直接下變頻接收機(jī)，頻率合成器，射頻前端
前言
現(xiàn)在的接收機(jī)大多是超外差結(jié)構(gòu)，微弱的高頻無線信號經(jīng)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(diào)。這種接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在鏡像干擾，同時(shí)需要高Q值的，體積大的IF濾波器，因此使得系統(tǒng)復(fù)雜化，集成困難。針對超外差接收機(jī)的缺點(diǎn)，現(xiàn)在提出了直接下變頻接收機(jī)，直接下變頻接收機(jī)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(jié)省可以大大簡化系統(tǒng)，有利于單片系統(tǒng)的集成。同時(shí)信號的放大和濾波都主要在基帶進(jìn)行，降低了能耗。因此直接下變頻接收機(jī)在無線通信領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。
1直接下變頻接收機(jī)總體功能描述
圖1直接下變頻接收機(jī)框圖
天線接收到的2.4G射頻信號首先經(jīng)過天線匹配電路，在接收時(shí)隙內(nèi)微弱的信號經(jīng)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(chǎn)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(jīng)后級的DSP處理恢復(fù)出原信號。
2 直接下變頻接收機(jī)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)
2.1接收機(jī)的芯片選擇
接收機(jī)主要有三部分組成：低噪聲放大器，正交解調(diào)器和本地振蕩器。
根據(jù)Friis表達(dá)式，N級級聯(lián)系統(tǒng)中噪聲因子為：
從上式可以看出射頻放大級主宰了接收機(jī)的整體噪聲系數(shù)，與接收機(jī)的性能密切相關(guān)。由于射頻放大級的增益，使整個(gè)噪聲指數(shù)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(wěn)定度都有影響，在這里我們采用的是應(yīng)用于2.4GHz WLAN,ISM和藍(lán)牙無線系統(tǒng)的高線性低噪放大器max2644,增益16dB，噪聲系數(shù)2dB。
接收機(jī)解調(diào)芯片采用美信公司一款工作在2.1G ～2.5G的零中頻結(jié)構(gòu)的正交解調(diào)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(diào)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(dá)60dB的兩級增益可調(diào)放大器，第一級是一個(gè)級聯(lián)差分輸入單端輸出的寬帶放大器，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在高增益狀態(tài)下的低噪聲，低功耗以及線性度。第二級也是一個(gè)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(gòu)成信道選擇濾波器，從而達(dá)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(jī)的本振設(shè)計(jì)
接收機(jī)通過混頻器實(shí)現(xiàn)2.4G直接變頻到基帶，因此需要一個(gè)2.4G的本地振蕩信號，同時(shí)要求本振信號頻率精度和穩(wěn)定度高，相位噪聲小。鎖相環(huán)是一種建立在相位負(fù)反饋基礎(chǔ)之上的閉環(huán)控制系統(tǒng)，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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該接收機(jī)本振設(shè)計(jì)中采用ADI公司的ADF4360-1 芯片，它的射頻輸入頻率在2050M－2450M，內(nèi)置可編程分頻器，具有電荷泵電流編程功能，可應(yīng)用于無線射頻通信系統(tǒng)，是一款性價(jià)比很高的電荷泵鎖存芯片。
圖2 頻率合成器原理框圖
在設(shè)計(jì)中，通過單片機(jī)89C2051控制ADF4360-1的CLOCK，DATA和LE信號，在頻率合成器芯片內(nèi)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(zhuǎn)換成相應(yīng)的線性電壓后從CP0輸出，經(jīng)過3階環(huán)路濾波器濾出高頻干擾信號后，得到一穩(wěn)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。
圖3 ADF4360-1芯片組成鎖相環(huán)電路和三階環(huán)路濾波器電路
在ADF4360-1中主要有一個(gè)低噪聲鑒相器，一個(gè)精密電荷泵，一個(gè)可參考分頻器R，可編程A及B計(jì)數(shù)器，和一個(gè)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?yàn)锳DF4360-1里面集成了一個(gè)VCO，所以在芯片的外部加上一個(gè)環(huán)路濾波器就可以構(gòu)成一個(gè)完整的鎖相環(huán)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(yōu)良的本振信號，參考晶振采用10M的溫度補(bǔ)償晶振，鑒相頻率定為200KHZ,因此R＝50，N=12000,雙模分頻比的預(yù)置數(shù)值為32/33,B=375,A=0。圖4(a)是2.4G本振信號的實(shí)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(jī)的本振-16～-9 dBm的要求。圖4(b)為鎖定時(shí)間掃描圖，顯示頻率合成器在100us以內(nèi)本振信號就鎖定在2.4G。
(a)
圖4 (a)鎖相環(huán)實(shí)測圖
(b)
（b）鎖定時(shí)間掃描圖
3 直接下變頻接收機(jī)增益和頻譜分析
安捷倫公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)2004 (ADS 2004) EDA軟件是RF和微波仿真軟件，它提供了一個(gè)集成的射頻設(shè)計(jì)流程，可以對設(shè)計(jì)進(jìn)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(jī)的一些指標(biāo)進(jìn)行了仿真。
圖5（a）是系統(tǒng)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(tǒng)的最大增益，同時(shí)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(tǒng)進(jìn)行諧波分析，圖中藍(lán)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。
(a) (b)
圖 5 (a)ADS系統(tǒng)增益仿真 （b）ADS系統(tǒng)頻譜分析
4 PCB設(shè)計(jì)中存在的問題和解決方法
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的電路射頻信號達(dá)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(zhì)選用RF4，該板材2.4G時(shí)的電介質(zhì)常數(shù)為4.6～4.9，接收機(jī)采用4層電路板結(jié)構(gòu)，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(dá)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(shè)計(jì)的電路芯片的射頻輸入端都需要進(jìn)行50歐姆的阻抗匹配，主要用的是表面微帶線。實(shí)際的運(yùn)用中我們用安捷倫公司的射頻微波軟件對微帶寬度進(jìn)行計(jì)算和分析，得到微帶寬度為36mil（介質(zhì)厚度20mil，銅厚1.4mil）。
直接下變頻接收機(jī)是一種先進(jìn)的接收機(jī)的結(jié)構(gòu)但是它也有自身的缺陷，但是本設(shè)計(jì)芯片中的模塊都會(huì)解決這些問題。
（1） 直流失調(diào)：直接下變頻接收機(jī)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(huì)產(chǎn)生較大的直流信號，該直流信號疊加在基頻信號上，導(dǎo)致誤碼率增大，并有可能造成后續(xù)的放大器處于飽和狀態(tài)，影響接收機(jī)的正常工作。本設(shè)計(jì)中有一個(gè)偏移調(diào)控電路，該電路通過交流耦合傳輸信號，同時(shí)在電路中產(chǎn)生一個(gè)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(jī)因?yàn)樾诺捞匦圆煌?，本振信號相位誤差等諸多的因素導(dǎo)致I/Q兩路基帶信號增益不平衡。這會(huì)導(dǎo)致I/Q誤碼率增高，嚴(yán)重影響解調(diào)性能。本設(shè)計(jì)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(gè)微分反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)放大器的增益控制回路，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩路信道的增益，從而補(bǔ)償兩路信號的增益不平衡。
5 結(jié)束語
本文研究了直接下變頻接收機(jī)的原理和實(shí)現(xiàn)方案，并成功的用軟硬件平臺(tái)對其實(shí)現(xiàn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于成功的實(shí)現(xiàn)了直接下變頻接收機(jī)，在運(yùn)用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)2.4G本地振蕩信號，試驗(yàn)結(jié)果表明在2.4G高頻之下鎖相環(huán)有鎖定時(shí)間短，相位噪聲小，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)說明了實(shí)際工程中需要注意的問題和克服直接下變頻接收機(jī)固有缺陷的途徑，實(shí)測結(jié)果表明接收機(jī)性能良好，指標(biāo)都達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
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