2.4G直接下變頻接收機射頻前端的設計與研究

來源：微計算機信息 ; 作者：全會閣 劉宏立 童調生
摘;要：射頻前端模塊性能關系到整個接收機的性能，直接下變頻接收機有體積小，價格低和高集成度的優(yōu)點而受到了廣泛的重視。本文對直接下變頻接收機進行了研究，分析了該接收機特點，提出了一種直接下變頻接收機的射頻前端實現(xiàn)方案，并用軟硬件平臺對其實現(xiàn)，實測的2.4G本地振蕩信號和接收機解調信號表明達到系統(tǒng)要求指標。
關鍵詞：直接下變頻接收機，頻率合成器，射頻前端

前言
現(xiàn)在的接收機大多是超外差結構，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。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(tǒng)復雜化，集成困難。針對超外差接收機的缺點，現(xiàn)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(jié)省可以大大簡化系統(tǒng)，有利于單片系統(tǒng)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

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圖1直接下變頻接收機框圖
天線接收到的2.4G射頻信號首先經(jīng)過天線匹配電路，在接收時隙內微弱的信號經(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(jù)Friis表達式，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的整體噪聲系數(shù)，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(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用于2.4GHz WLAN,ISM和藍牙無線系統(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(lián)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(tài)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(xiàn)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(wěn)定度高，相位噪聲小。鎖相環(huán)是一種建立在相位負反饋基礎之上的閉環(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(tǒng)，是一款性價比很高的電荷泵鎖存芯片。


圖2 頻率合成器原理框圖
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(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