宽带多路前端接收电路设计

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摘要：随着短波通信技术的发展，传统以硬件划分信道为主的短波宽带接收模式无法实时处理大量宽带信息，因而无法满足日益增长的应用需求。短波宽带多路接收技术提供了目前短波快速选频建链、短波信号快速捕获监测等“热门”应用的解决方案。文章运用短波宽带多路接收技术，设计了一种基于短波通信的宽带多路前端接收电路，明确了前端接收电路概要框图、射频信道和射频本振锁相环电路组成等，同时讨论了设计中需要攻克的关键技术和解决方案。

关键词：短波通信；短波宽带接；多相滤波

0引言

短波通信宽带多路接收技术是当前理论和工程实践的一个重要研究内容。涉及快速ADC变换、多速率变频处理、多相滤波、快速信息检测等诸多关键技术需研究和克服。但因短波宽带接收模式可同时接收处理多路信号、降低系统响应时间、提高复杂信号处理能力等优势，因此采用宽带接收机作为短波信号前端逐步成为短波通信的主要发展方向。本文设计的一种基于短波通信的宽带多路前端接收电路，综合考虑了前端非线性、多相滤波、低噪声放大、自动增益控制、带外干扰滤除、高灵敏度等指标的综合权衡，是短波宽带接收机硬件电路设计的“第一道”关口，对提高短波宽带接收性能具有重要意义。

1设计方案

由射频信道、射频本振、模数转换器ADC、处理与控制FPGA芯片、电源、时钟等组成。射频信道与射频本振将接收到的射频信号转换为ADC可以处理的中频信号，并实现信道增益的自动控制（AGC）。FPGA通过计算ADC送来的数据发送信道控制命令，并与信号处理单元实现命令与数据的通信。时钟部分除了为射频本振与FPGA提供参考时钟外，还提供一路基准时钟信号送至其它模块作为工作基准时钟。

1.1射频信道

包括保护电路、天线衰减电路、射频滤波、高线性混频、两种带宽中频滤波、中频放大、AGC控制电路和功率分配电路。保护电路由气体放电管与钳位二级管组成，在受到雷击等强干扰时保护后级电路不被损坏；天线衰减电路由10dB、20dB两级衰减网络串联而成，实现最大30dB的信号衰减，用微型继电器切换控制；第一级射频滤波采用九阶椭圆低通级联和五阶切比雪夫低通滤波器，滤除带外干扰；为提升系统的灵敏度指标，射频部分配置了一款高线性平衡低噪声放大器，增益9dB,噪声系数1.5dB，输出IP3为40dBm；高性能混频器实现前端输入的射频信号与射频本振送来的本振信号相混频，得到高中频信号，采用四个MOSFET构成环形混频器，非线性指标优异，输出IP3在35dBm以上；在混频器的前端加入一个五阶切比雪夫低通滤波器，以补偿椭圆滤波器对高频抑制的不足，可获得较高的镜像和中频抑制；为了改善中频信号的信噪比，在中频滤波器之前配置了一款单边低噪声放大器，增益6dB，噪声系数1.6dB，输出IP3为38dBm，同时具有较高的二阶性能；中频滤波器用于将所需的信号从宽带频谱中选择出来，滤除无用的干扰，分两级配置：一个置于第一级中频放大器之前，对混频器的输出进行预滤波，降低对放大器的要求，提升系统三阶指标；另一个滤波器置于第一级中频放大器之后，利用良好的矩形系数实现对带外无用信号的抑制，两个滤波器叠加后的响应应满足射频信道的频率响应平坦度要求；中频放大器用于将滤波器选出的信号放大到数字信号处理单元所需的电平，共有四级放大电路：第一级、二级、四级放大器型号相同，噪声系数3.5dB，增益16dB，第三级高增益放大器采用可配置增益放大器，以方便生产调试；自动增益控制电路由两级可控数字衰减器组成，每级实现31dB的衰减量，1dB的衰减步进，共实现最大62dB的衰减，可与天线衰减器一起共实现超过90dB的控制量；功率分配电路将中频信号分为两路，一路送给本单元的ADC，一路送往数字信号处理单元。

1.2射频本振

射频本振锁相环电路框图如图3所示，由参考锁相环与本振锁相环组成。标频采用81.92MHz恒温晶体振荡器（OCXO），频率稳定度可达1×10-8/d，具有优良的相位噪声性能。参考锁相环用于产生本振锁相环的参考频率。压控振荡器Ⅰ采用压控晶体振荡器（VCXO）产生高频谱纯度的本振参考信号，这个信号的频率使用PLL芯片中的整数锁相环实现，由分频器、VCXO、鉴相器及环路滤波器构成的参考锁相环锁定在基准频率上，其与标频的关系为：fr=128×(8192÷125)=16.777216MHz（鉴相频率为131.072kHz）；本振锁相环为射频信道提供混频用的本振信号，要求步进达到1Hz，误差0.01Hz（1×10-8）；采用PLL芯片的小数环设计，环路射频频率16分频后输出，16Hz的步进要求小数分频器的步进最小为:16777216÷16=1048576=220（20位最大数为1048575），即小数分频器的小数分频模位数需达到21位以上，方可满足要求；本振信号频率与本振参考频率的关系为：FL=(N.F×16.777216MHz)÷16=63.078～93.078MHz，其中N.F为小数分频比。射频本振锁相环的输出采用宽带低噪声放大器，为射频信道混频器提供电平达+17dBm的本振信号，以保证混频器的三阶性能对本振的需求，使用7阶椭圆高通滤波器滤除本振信号的低频端干扰。

2关键技术及解决途径

2.1多速率变频处理技术

多速率信号处理是实现信号处理数字化的关键，虽然采样定理的应用降低了所需的射频采样速率，但从对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽越宽越好，这样对不同信号会有更好的适应性，可以简化系统设计。提高采样速率可提高采样量化的信噪比，但采样后的数据流速率也会很高，这样会导致后续的信号处理速度难以跟上。特别是对宽带多路信号处理，其计算量大，数据吞吐率太高很难满足实时性要求，这样就必要对A/D后的数据流进行降速处理。多速率信号变频处理技术为这种降速处理的实现提供了理论依据，该技术实质上是对采样后离散序列的重采样过程，抽取和内插是其基本环节，可将数字滤波器的转移函数分解成若干个不同相位的组，以提高抽取内插器的计算效率，有利于信号的实时处理，简化滤波器的设计。

2.2多相滤波技术

多速率信号处理的核心目的是在不改变信号携带信息的条件下降低信号的流速率，以减轻对信号处理器件的运算速度的压力，来最大化地提高系统效能。而多相滤波器起着抑制镜像干扰和邻频道干扰的重要作用，其设计直接影响着整个系统的接收性能。对信号进行多速率处理时，要在信号的抽取之前和信号的插值之后进行信号的限带滤波。抽取是信号频谱扩展的过程、插值是信号频谱压缩的过程，若不进行限带滤波，则抽取后信号频谱在周期延拓扩展的过程中将会引起频谱的混叠造成信号的改变，使信号信息产生变化；同理，插值的过程没有限带时，也将会使冗余信息压缩进信号的频谱中，造成信号携带信息的改变，使信号失真。滤波器分别放置在抽取器之前和内插器之后。而这两个位置恰恰是信号流速率相较另一侧更高的一端，这会增大信号处理的运算量。对限带滤波器h[n]的Z变换进行分析，H(z)可以转化为如下形式：再根据抽取与滤波器之间的恒等变换，可以把抽取系统转化等效的多相形式。滤波器的运算是在对信号进行抽取之后进行，这就降低了原信号的信号流速率，使后续对信号处理过程的运算量大大的降低了。这就体现出了多相滤波形式的一大优势，并且还可以根据后续处理的要求，采取不同的多相形式来提高系统的效率，节省了系统的内部资源。

3结语

短波宽带多路接收技术是目前发展起来的一种新技术，在短波快速选频建链、短波信号监测等方面获得了很好应用。如国内最新发展起来的具有频谱感知和快速信号检测能力的短波建链技术，依托了宽带并行多路接收机进行本地噪声监测、多频点快速同步探测，实时感知频谱，结合经验数据，通过通信效能分析，实现了两点间的频率快速优选与建链，提高了短波通信建链成功率和建链速度。本文设计的短波通信宽带多路前端接收电路，可为工厂、研究所、高等院校等提供借鉴和参考。

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作者：陈飘滌 单位：武汉瑞丰通讯设备有限公司