宽频带接收系统的建模与仿真

1 引言
    随着电子信息技术的发展，信号频带越来越宽。宽带接收机作为获取信息的前端设备，需求越来越强烈。其技术指标和环境适应性要求也越来越高，接收机的性能对信息获取起着非常重要的作用。
    宽带射频接收系统设计的目的是满足系统参数指标的要求，最大可能地重用硬件以减小元件数量、功耗和成本。宽带射频前端由于频段的带宽很宽，设计时尽可能降低对后面处理能力的要求。就目前的硬件性能，还无法在射频段实现全数字化处理，故将数字化处理设在中频。
    但是，宽带接收机必然存在一系列技术难点，如宽频段信号镜像干扰问题、本振功率与稳定功率输出问题及高中频增益等，在工程实践中更有抗恶劣环境和高可靠性要求。这里利用射频电路仿真软件ADS2008进行系统的建模与仿真，实现30～3 000 MHz宽频带解决方法。

2 混频方案的设计及合理性分析
    由于30~3 000 MHz的宽频带覆盖范围，如果直接采用高本振4 030～7 000 MHz的变频处理。接收机的结构会比较简单。但是4 000 MHz混频器的设计或购买很困难，即使在如此高的频率实现与其他器件的耦合，接收机的其他参数要求也很困难。因此，基于现阶段技术水平，此方案不可取。考虑到成本、性能，以及实现的难易程度，将某一些频段做多次变频，通过高本振，低本振的方法，最后将整个频段统一混频到同定的中频上。
    整个混频过程：30～1 000 MHz的频段多做一次上变频，第一中频为1 200 MHz，然后与第二本振LO2混频到第二中频600 MHz，最后与第三本振LO3混频到第三中频70 MHz，过程如图1所示。而2～3 GHz的频段只需两次混频即可降到70 MHz；1～2 GHz的频段与高本振LO2(1.6-2.6 GHz)混频到第二中频600 MHz，再与第三本振LO3(529～531 MHz)混频到第三中频70 MHz，其过程如图2所示。2～3 GHz的频段与低本振LO2(1.4～2.4 GHz)混频到第二中频600 MHz，最后与第三本振LO3(529～531 MHz)混频到第三中频70 MHz，其过程如图3所示。

    由以上分析可知，30～3 000 MHz宽频带信号要进行2～3次混频处理。从混频器寄生响应的角度。在理论上分析以上的混频设计是否合理。首先建立如下混频器的数学模型。混频器的输出电流，可以用其输入电压V的幂级数表示，即

   
    当混频的两个输入为本振信号VLexp(jωLt)和射频信号VRexp(jωRt)之和，即

   
    将式(2)代入式(1)，得出预期的频谱特性。结果如图4所示。混频器除了产生所需要的频率外，还有许多其他的频率组合分量，即|mωR±nωL|，其中m，n为正整数。除了所需要的频率|ωR-ωL|外，其他频率为虚假信号或寄生信号。

    图4纵轴为归一化输出频率(H-L)／L，横轴为归一化输入频率L／H的变化，各实线表示混频一次分量(H-L)及各高次方项产生的寄生效应。为了简化图4，不管是高本振还是低本振，较高的输入频率以H表示，较低的输入频率以L表示。除(H-L)外，其他所有线都表示寄生信号输出，其最高阶寄生信号为6，用6H和6L表示。
    根据以上混频设计，30～3 000 MHz宽频带信号要进行2～3次混频处理，射频通带混频产生的中频通带分别对应图4中的A，B，C 3个区域，3个区域的任何延伸都会引起中频频率的重叠，而且这时的重叠不能由中频滤波改正。由图4看出，区域A，B，C两端的寄生中频频率分别为：6L-2H、2H-3L；4H-6L、3H-4L；4H-5L、5H-6L，这些都是混频器幂级数模型中相当高的高次方项，其幅度很低，可以忽略。即使瞬时射频带宽的延伸引起中频频率重叠，对所需要的中频频率影响不大。由以上分析可知，该变频设计方案能提供较好的寄生响应抑制。

3 宽带射频接收系统仿真图
    通过前面的讨论可知，最终设计的接收机选择3次(30-1 000 MHz)混频或2次混频(1-3 GHz)的超外差混频结构，将30～3 000MHz宽带射频频率下变频至70 MHz。整个射频接收前端系统的仿真如图5所示。

4 系统性能仿真
4．1 本振输出功率对接收机输出功率的影响
    设置接收机的输入功率RF_pwr=-40 dBm，当二本振功率LO2_pwr与i本振功率LO3_pwr从-35～5 dBm变化时(步进间隔为1 dBm)，接收机输出功率与LO_pwr之间的关系如图6所示。

    从图6可知，输出功率电平随本振输出功率的增加而逐渐增大，当本振功率大于0 dBm后，输出功率才逐渐稳定。要使接收机系统达到所需的性能指标，必须有足够的本振输出，但对于小信号接收机系统，低功耗是其性能中不可忽视的一个重要指标，这是系统级设计及工程应用中需要考虑的问题。
4．2 输出信号频谱仿真
    设置RF_freq=2．3 GHz，LO2_freq=1．7 GHz，LO3_freq=530，MHz，RF_pwt=-40 dBm，LO_pwr=0 dBm，输出功率谱如图7所示。从图7可知，在f=70 MHz处，输出的功率最大，而在其他的频率点，功率幅度都很小，中频增益得到很好的保证。

4．3 接收机镜像抑制特性仿真
    对于超外差接收机，镜频抑制比是一项很重要的性能指标。因为镜频干扰产生的同频假中频信号很难去除，所以镜频干扰成为影响接收机性能的主要因素。镜频抑制比定义：在所用信号频率点和镜像频率点分别输入等功率的信号时，接收机产生的中频信号幅度比。在仿真中将射频频率换成镜像干扰频率(不同频段镜像干扰频率不同)，在全频段扫描时的镜像抑制比如图8所示。

    由图8可知,由于采用2次或3次变频的方法，而每次的中频相差很大，使得不论在第一频段(30～1 000 MHz)还是在第二频段(1～3 GHz)，镜频抑制比都在90 dBc以上。

5 结语
    针对30～3 000 MHz的宽带射频无线电工作频段，采用超外差固定中频分频段混频方案，设计了一个分段混频方案,搭建了一个宽频带射频前端的接收机系统仿真平台，实现高性能综合化射频接收前端的系统仿真，并从接收机系统的本振输出功率输出信号频谱，分析其镜像抑制特性，论证了方案的可行性。