在某些射頻產(chǎn)品的生產(chǎn)調試車間,空間某些頻段的射頻(RF)干擾信號可能對生產(chǎn)和調試造成影響。因此,有必要設計一種信號測試儀檢測空間RF信號的強度。本文所設計的信號測試儀具有以下基本功能：
測試頻率范圍1 MHz～30 MHz;
能夠靈活地在該頻段上步進掃描;
具有方便的人機交互界面,可以通過鍵盤輸入各種預設值,通過液晶顯示屏隨時查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。
本設計采用超外差接收方式?？臻g信號通過天線接收后,首先經(jīng)過濾波和前置放大,與本地振蕩信號混頻后得到中頻信號。再對中頻信號進行選頻、放大、檢波,得到直流電壓即信號的強度。經(jīng)A／D轉換送入CPU處理。
在本設計中,混頻電路是設計的關鍵。它包括信號的前置處理、本振信號的產(chǎn)生、混頻和中頻濾波等。傳統(tǒng)的掃頻信號產(chǎn)生電路大多使用壓控振蕩器,通過改變變容二極管的電壓改變本振頻率,但是使用分立元件,振蕩頻率難以精確控制,特別是掃頻寬度難以達到設計要求。因此,本設計采用DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術,使用ADI公司的AD9850與MCU配合,可得到精確控制的掃頻振蕩源。采用Philips公司的SA605構成本設計方案中的混頻電路。
2 AD9850和SA605簡介
2.1 DDS頻率合成器AD9850
AD9850用于產(chǎn)生頻率精確可控的本地振蕩源信號。AD9850采用先進的CMOS工藝,內含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器,能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊藾DS系統(tǒng)的核心是相位累加器,它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成,N為32。每產(chǎn)生一個外部參考時鐘,相位寄存器以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息,每一個地址對應正弦波中0°-360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射為正弦波幅度信號,然后驅動DAC輸出模擬量。頻率控制字由下式計算：
由于AD9850采用125 MHz有源晶體振蕩器,當DAC輸出頻率達到40 MHz時．SFDR>50 dB。因此完全可滿足本地振蕩頻率范圍的要求。
2.2 FMIF通信器件SA605
SA605是一款高性能低功耗混頻器和FM IF器件。它內部集成有混頻器／振蕩器、限幅中頻放大器、積分檢波器、靜噪、對數(shù)。RSSI(接收信號強度指示)和電壓較準器。
其主要參數(shù)：低功率,工作電壓6 V時典型電流為5.7 mA;在45 MHz時混頻轉換功率增益可達13 dB;在45 MHz時混頻器噪聲特性為4.6 dB;中頻放大／限幅增益為102 dB;25 MHz的限幅器小信號帶寬;具有額外90 dB動態(tài)范圍的溫度補償接收信號強度指示器(RSSI);靜噪和未靜噪的2個音頻輸出;僅需極少的外圍器件,適用于晶體／陶瓷／LC各種濾波器;具有極高的靈敏度等。基于以上特性,SA605適用于設計高性能通信接收機、RF信號強度測量、頻譜分析儀等。
本解決方案中SA605用于將天線接收的RF信號與DDS產(chǎn)生的本地振蕩信號混頻。得到465 kHz的差頻信號,該信號經(jīng)帶通濾波器篩選出中頻信號并放大。SA605混頻器包括三個部分：RF信號輸入、本地振蕩LO輸入和中頻輸出。混頻器對RF信號和LO信號進行和／差運算,獲得一個中頻輸出。頻率混合是通過一個吉爾伯特單元(GilbertCell)四項限乘法器實現(xiàn)的。吉爾伯特單元是一個微分放大器,可驅動一個平衡切換單元。SA605給本地振蕩器配備了一個NPN晶體管,為了達到本地振蕩頻率,只需要增加一些外部元件,例如電容、電感或電阻。振蕩器的晶體管基極和發(fā)射極(引腳4和3)可以用于配置為Colpitts、Butler或變抗器控制的LC形式。
3 實際設計方案
在空間信號測試儀的設計中,SA605與AD9850組成了空間RF信號接收器。
混頻部分主要電路連接圖如圖1所示。
3.1 SA605的RF輸入配置
RF輸入引腳接由天線接收過來的空間RF信號,經(jīng)前級濾波,信號頻率為30 MHz以下。SA605可配置為平衡(即單端匹配)和非平衡兩種匹配網(wǎng)絡,兩種方式各有優(yōu)劣,單端匹配用簡單電路即可實現(xiàn),并且不會犧牲三階性能,但卻會增大二階乘積。平衡匹配可減小二階乘積,但是電路設計復雜,阻抗難以匹配。好的網(wǎng)絡匹配可以顯著提高接收靈敏度,本設計中采用單端匹配,查手冊可知,SA605的RF輸入阻抗在10 MHz～50 MHz頻率下為4.5 kΩ～5 kΩ‖2.5 pF,因此前級高放電路需要匹配到該輸入阻抗,才能保證良好的接收效果。
如圖2所示,本設計采用單端匹配,匹配于20MHz,采用一個電容抽頭電路,將50Ω的輸入匹配到SA605的RF輸入。該電路中C1、C2、L的數(shù)值按如下方法計算。
在10 MHz～30 MHz頻率范圍內,2.5 pF的電容基本可以忽略不計。
3.2 SA605的本振配置
由于SA605的LO部分內部配置了一個NPN晶體管,因此輸入既可配置為Colpitts、Butler或變抗器控制的LC形式,也可以外加振蕩源。在本設計中,AD9850的第21引腳DAC輸出通過MCU控制產(chǎn)生的1 MHz～39 MHz掃頻信號作為SA605的LO輸入。AD9850的DAC輸出阻抗約為120 kΩ‖8pF,而SA605的LO輸入阻抗約為10 kΩ?？稍贒AC輸出引腳并聯(lián)10 kΩ左右電阻與之匹配。
SA605的LO輸入電平與供電電平以及環(huán)境溫度的關系可查數(shù)據(jù)手冊得知,在25℃、供電電壓為8V環(huán)境下,振蕩器電平不應超過550 mVRMS。在該環(huán)境下,實測AD9850的輸出得到如圖3所示的輸出強度曲線。
由圖3可知,DDS輸出掃頻信號的幅度隨著頻率的增加而有減小的趨勢,這是DDS固有的缺陷,SA605的本振輸入振蕩電平會影響混頻器的轉化效率,當本振電平降為114 mV時,混頻器效率則降為74.4％,而不同頻率對應不同的混頻轉換效率,將會影響到中頻輸出的信號幅度,影響對RF信號強度的測量。為解決這一問題,本方案將DDS輸出先經(jīng)過AD603進行適當?shù)乃p,衰減的幅度由D／A輸出的一個直流電壓來控制。
AD603是ADI公司生產(chǎn)的一款低噪聲,帶寬可達90 MHz的可變增益放大器。當使用5 V電壓時,將引腳5(FDBK)與輸出引腳7(VOUT)]直接相連。通過調整其引腳1(GPOS)和引腳2(GNEG)的電壓之差VG,即可控制放大增益,增益由以下公式?jīng)Q定：
Gain(dB)=40×VG+10
設計電路使得引腳GPOS的電壓穩(wěn)定于某一固定值,而引腳GNEG則接至控制電壓,通過調整VG來改變增益,引腳GNEG的電壓則由D／A轉換得到一個直流信號進行控制,隨著頻率的增加,信號幅度減小,相應得到的直流信號也減小,則VG增大,增益Gain也增大。選取適當?shù)念l率點,調整使得VG介于-300 mV和-25 mV之間,使得小于該頻率點的信號被衰減,大于此頻率點的信號得到放大,由于僅做細微調整,放大、衰減的分貝數(shù)不超過2 dB。
AD603輸出的均勻DDS信號通過一個0.1 μF的耦合電容接至SA605的本振輸入引腳。
當SA605使用8 V電壓時,DDS輸出10 MHz、RF信號,使用了HP 8116型50 MHz信號發(fā)生器經(jīng)過高放濾波產(chǎn)生9.55MHz的信號代替空間RF信號時。使用TektronixTDS2022型200 MHz示波器,實測波形如圖4。
由圖4可以得知,產(chǎn)生的465 kHz中頻信號仍混有高次諧波,因此,該中頻信號需要經(jīng)過后級中頻放大、濾波電路。由于混頻器的輸出阻抗為1.5kΩ,因此,不必考慮輸出與中頻濾波器的匹配。
4 結束語
通過實際測量,證明由DDS作為振蕩源,與SA605構成混頻器的設計能夠實現(xiàn)預期的功能與指標,因此,可以作為一種新的設計方法應用于通信接收機中。
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