2.4G直接下变频接收机射频前端的设计与研究

前言

现在的接收机大多是超外差结构，微弱的高频无线信号经过一级或者两级的混频电路，去掉其它信道的干扰并获得足够的增益，最终完成信号的解调。这种接收机结构复杂，存在镜像干扰，同时需要高Q值的，体积大的IF滤波器，因此使得系统复杂化，集成困难。针对超外差接收机的缺点，现在提出了直接下变频接收机，直接下变频接收机的本振与载波频率相等，直接将射频信号变换到基带, 因此不存在镜像干扰，不需要镜像干扰抑制滤波器。中频模块的节省可以大大简化系统，有利于单片系统的集成。同时信号的放大和滤波都主要在基带进行，降低了能耗。因此直接下变频接收机在无线通信领域受到了广泛关注。

1直接下变频接收机总体功能描述

图1直接下变频接收机框图

天线接收到的2.4G射频信号首先经过天线匹配电路，在接收时隙内微弱的信号经过低噪放大器放大和带通滤波器滤波，得到的射频信号分别与互为正交的两路本振信号混频，产生同相和正交两路基带信号。增益可编程放大器放大I/Q两路信号后，再通过低通滤波器完成信道选择。得到的信号送入ADC中采样，经后级的DSP处理恢复出原信号。

2 直接下变频接收机关键部分的设计

2.1接收机的芯片选择

接收机主要有三部分组成：低噪声放大器，正交解调器和本地振荡器。

根据Friis表达式，N级级联系统中噪声因子为：

从上式可以看出射频放大级主宰了接收机的整体噪声系数，与接收机的性能密切相关。由于射频放大级的增益，使整个噪声指数才增加的并不多，但是太高的射频放大级增益，对于后级的线性度和稳定度都有影响，在这里我们采用的是应用于2.4GHz WLAN,ISM和蓝牙无线系统的高线性低噪放大器max2644,增益16dB，噪声系数2dB。

接收机解调芯片采用美信公司一款工作在2.1G ～2.5G的零中频结构的正交解调芯片，该芯片包括正交下变频器，基带可控增益放大器，基带增益平衡调控电路和偏置电路。正交混频器具有18dB的电压增益和较好的线性度。芯片采用新颖的可变增益放大器，I/Q两路信号分别采用了总增益80dB，可控增益达60dB的两级增益可调放大器，第一级是一个级联差分输入单端输出的宽带放大器，它的设计目标是在高增益状态下的低噪声，低功耗以及线性度。第二级也是一个差分输入单端输出的宽带放大器，在两级放大器之间加入低通滤波器可以构成信道选择滤波器，从而达到抑制相邻信道功率的作用。

本地振荡器采用ADI公司的ADF4360-1芯片。

2.2接收机的本振设计

接收机通过混频器实现2.4G直接变频到基带，因此需要一个2.4G的本地振荡信号，同时要求本振信号频率精度和稳定度高，相位噪声小。锁相环是一种建立在相位负反馈基础之上的闭环控制系统，对相位噪声和杂散具有很好的抑制作用，在电视，仪器，通信等领域得到了广泛的应用。该接收机本振设计中采用ADI公司的ADF4360-1 芯片，它的射频输入频率在2050M－2450M，内置可编程分频器，具有电荷泵电流编程功能，可应用于无线射频通信系统，是一款性价比很高的电荷泵锁存芯片。

图2 频率合成器原理框图

在设计中，通过单片机89C2051控制ADF4360-1的CLOCK，DATA和LE信号，在频率合成器芯片内部完成参考晶振R分频和压控振荡器N分频相位的比较，并且转换成相应的线性电压后从CP0输出，经过3阶环路滤波器滤出高频干扰信号后，得到一稳定电压来控制压控振荡器的输出，最终的信号频率被锁定在2.4G上。

图3 ADF4360-1芯片组成锁相环电路和三阶环路滤波器电路

在ADF4360-1中主要有一个低噪声鉴相器，一个精密电荷泵，一个可参考分频器R，可编程A及B计数器，和一个双模分频器(P/P+1)，频率合成器的分频比为N,并且满足N=B*P+A, 因为ADF4360-1里面集成了一个VCO，所以在芯片的外部加上一个环路滤波器就可以构成一个完整的锁相环电路，这样芯片的集成度更高。它的输出频率为fout=N*fin/R,为了得到性能优良的本振信号，参考晶振采用10M的温度补偿晶振，鉴相频率定为200KHZ,因此R＝50，N=12000,双模分频比的预置数值为32/33,B=375,A=0。图4(a)是2.4G本振信号的实测图，从频谱分析仪上可以看到频率锁定在2.4G，本振的功率幅度为－13.6dBm，满足接收机的本振-16～-9 dBm的要求。图4(b)为锁定时间扫描图，显示频率合成器在100us以内本振信号就锁定在2.4G。

(a)

图4 (a)锁相环实测图

(b)

（b）锁定时间扫描图

3 直接下变频接收机增益和频谱分析

安捷伦公司的先进设计系统2004 (ADS 2004) EDA软件是RF和微波仿真软件，它提供了一个集成的射频设计流程，可以对设计进行精确全面的建模，包括前端的仿真和后端的布局布线能力。我们对接收机的一些指标进行了仿真。

图5（a）是系统的整体增益仿真图，可以看出，中心频率2.4G处的增益为93dB,为系统的最大增益，同时在2.410G处的信号增益为12.7 dB,对于干扰信号能够有很好的抑制作用。图5（b）对系统进行谐波分析，图中蓝色表示原来的信号频谱，红色表示下变频后的信号频谱，仿真看出射频信号从2.4G搬到了零中频。

(a) (b)

图 5 (a)ADS系统增益仿真（b）ADS系统频谱分析

4 PCB设计中存在的问题和解决方法

因为本设计的电路射频信号达到了2.4G的微波频段,需要考虑PCB的布局，布线，匹配和电磁兼容问题。因此PCB材质选用RF4，该板材2.4G时的电介质常数为4.6～4.9，接收机采用4层电路板结构，第一层和第四层布信号线，第二层布地线，第三层布电源线。高频连线采用微带线，微带线在电路中连接输入和输出电路，一定特性阻抗的微带线可以使得它与前端电路的输出阻抗和后端的输入阻抗达到匹配，就可以使得信号传输过程中的功率损耗减到最小。对于本设计的电路芯片的射频输入端都需要进行50欧姆的阻抗匹配，主要用的是表面微带线。实际的运用中我们用安捷伦公司的射频微波软件对微带宽度进行计算和分析，得到微带宽度为36mil（介质厚度20mil，铜厚1.4mil）。

直接下变频接收机是一种先进的接收机的结构但是它也有自身的缺陷，但是本设计芯片中的模块都会解决这些问题。

（1） 直流失调：直接下变频接收机的中频为零，混频器的RF信号和本振信号输入端之间串通引起的自混频，这样就会产生较大的直流信号，该直流信号叠加在基频信号上，导致误码率增大，并有可能造成后续的放大器处于饱和状态，影响接收机的正常工作。本设计中有一个偏移调控电路，该电路通过交流耦合传输信号，同时在电路中产生一个高通滤波电路，这样就可以很好的滤除直流信号。

（2） I/Q失配：直接下变频接收机因为信道特性不同，本振信号相位误差等诸多的因素导致I/Q两路基带信号增益不平衡。这会导致I/Q误码率增高，严重影响解调性能。本设计中含有I/Q增益失配矫正模块，它通过比较I/Q两路信号在终端的输出幅度，其误差信号通过一个微分反馈网络，调节放大器的增益控制回路，动态调节两路信道的增益，从而补偿两路信号的增益不平衡。

5 结束语

本文研究了直接下变频接收机的原理和实现方案，并成功的用软硬件平台对其实现。本文的创新点在于成功的实现了直接下变频接收机，在运用锁相环电路实现2.4G本地振荡信号，试验结果表明在2.4G高频之下锁相环有锁定时间短，相位噪声小，性能稳定等优点。同时说明了实际工程中需要注意的问题和克服直接下变频接收机固有缺陷的途径，实测结果表明接收机性能良好，指标都达到了系统设计要求。

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