工程师教你怎样去设计对数中频接收机?

　　在移动通信系统中，由于信号传输过程存在多径衰落和传输衰减等因数，使得系统中的移动终端接收信号的动态范围较大。而且当移动终端距离基站较近时，由于当输入端信号过强或伴有较大的干扰电压输入时，会出现“过载”现象。为了解决此问题，需要将较宽输入动态范围压缩成较窄的输出动态范围，并保留输入信号的幅度、频率和相位信息，常采用的方法是自动增益控制电路（AutomaTIcally GainControlled）和对数放大器（Logarithmic Amplifier）。由于对数放大器的动态范围比AGC电路动态范围宽，而且对数放大器的输出信号失真较小，可以准确反映输入信号的频率和相位信息。因此，在大多数的无线通信、雷达系统中，采用对数放大器来实现接收机的中频放大。在此采用具有大动态范围、高精度和低功耗等特点的对数放大器AD608进行中频接收机的设计和实现。
　　1 关于AD608芯片
　　AD608采用16脚塑料SOIC封装形式，片内集成了低功耗、低失真、低噪声的混频器和一个完整的对数／限幅放大器，该放大器使用“连续检测”技术，可以提供一个高速的接收信号强度指示（RSSI）输出，同时其内部的限幅器还可提供硬限幅信号输出。它具有以下特性：动态范围为80 dB，输入信号带宽大于500 MHz，限幅输出相位抖动典型值是士3°，电压范围为2．7～5．5 V，典型功耗21 mW（3 V供电时）。
　　该芯片的对数中频放大器包含五级放大器，每一级的增益为16 dB。“连续检测”结构共有7级检测器，其中包括五级全波检测器和两个用于限幅放大器输入端驱动的检测器，其结构如图1所示。对于5 kΩ的负载，限幅器的输出驱动为±200 mV。限幅放大器的电压增益大于100 dB，转换时间是11 ns。在频率为10．7 MHz时，对于－75～+5 dBm的输入范围，其相位稳定度在－3°～+3°内。
　　
　　AD608中频子系统芯片以其优越的特性可广泛用于PHS，GSM，TDMA，FM，PM接收机系统、采用电池供电的仪表设备以及基站RSSI测量系统中。由于对数放大器AD608具有信号强度指示（RSSI）功能，可以实现中频信号的检波，同时它的限幅输出还可以精确再现输入信号的频率和相位信息。因此，这里采用AD608作为核心器件进行中频接收机的设计。
　　2 对数中频接收机的设计
　　对数中频接收机作为某检测系统的中频部分，其功能是实现接收信号大动态范围内的放大和检波。对数中频接收机主要由低噪声放大器、带通滤波器和对数放大器等组成，其结构框图如图2所示。对数放大器是这样标度的：对于本振放大器的-75 dBm的输入信号，其输出信号电平为0．2 V；而在其输入为5 dBm时，输出为1．8 V；在整个范围中，对数放大器的一致性在±1 dB内。AD608中对数放大器的斜率正比于电源电压，反馈环路可自动将输入偏移调整到零。
　　
　　2．1 低噪声放大器
　　AD608进行信号强度指示所要求的输入信号范围是-75～+5 dBm，为了保证接收机的高灵敏度和70 dB的动态范围，必须使中频信号满足对数放大器的输入要求。因此，需要一级低噪声放大器对输入的中频信号进行匹配、放大。该设计采用的放大器是MINI公司的EAR-5，其电路连接图如图3所示。放大器前端的π型网络（R5，R6，R23）是放大器的阻抗匹配网络，可以使其线性输出功率更大。
　　
　　2．2 带通滤波器
　　从射频前端输入到中频单元的信号不可避免地包含其他干扰信号和噪声，而且前端放大器在对有用信号放大的同时会产生其他谐波分量。这些干扰信号输入AD608中会导致该芯片在低端（输入信号低于-65 dBm）时不能进行信号强度指示，同时还将会使限幅器的输出信号的相位随机摆动。因此，需要在AD608前增加带通滤波器以滤出干扰信号。中频单元接收到的信号是基带信号经过载波调制而得到的，并且基带信号有一定频带宽度。为了保证检波出的基带信号在允许的失真范围内，设计的带通滤波器必须要满足一定带宽。根据中频接收机的设计要求，滤波器的中心频率为30 MHz、带宽为2 MHz、插入损耗为4 dB。这里是以归一化的五阶巴特沃思低通滤波器为原型，然后通过从低通到带通的变换得到带通滤波器，其电路如图4所示。
　　
　　2．3 对数放大电路
　　由于对数放大器是直流耦合的，它具有大于100 dB的增益，在它的中频输入端即使存在几个微伏的偏移也会使输出饱和。因此，在使用AD608时采用低频反馈回路（如图5中的R4，C7，C8）来消除输入端的偏移。在对数放大电路中，中频信号从芯片的IFHI引脚输入，限幅信号和检波信号分别从LMOP和RSSI引脚输出。由于对数放大器的检波输出电压只有几百毫伏，不能满足后续处理电路的门限电压要求，因此需要高带宽增益积的运算放大器对检波出的信号做进一步的放大。在此采用LM384作为对数放大电路的输出级放大器。
　　中频输入端的干扰信号、偏移反馈回路中不准确的元件值都会对AD608的检波动态范围造成影响。因此，在设计中频接收机时要尽量提高对数放大器中频输入信号的信噪比，并且不断改变偏移反馈回路中的元件值，从而使中频接收机的动态范围达到设计要求。
　　
　　AD608的低通滤波器具有2 MHz的截止频率，这比由于10．7 MHz的中频而产生的21．4 MHz的纹波频率低一个倍频程。在工作于较低的中频时，AD608需要外接一单极点90 kHz的低通滤波器，该频率比这些中频产生的900 kHz纹波频率低一个倍频程。而在-75～+5 dB的输出范围内，其RSSI的测量精度为±1 dB。
　　在典型的峰窝通信应用中。AD608的RSSI输出将由A／D转换器予以数据化。AD608的RSSI输出正比于电源电压，这样不仅使A／D转换器可用电源作为参考，而且RSSI输出和A／D转换器的输出均可跟踪电源电压的变化，从而降低系统的误差和元件成本。
　　3 实验结果
　　在实验中，对数中频接收机的输入端是AM调制信号，其中调制度为40 %，载波频率为30 MHz，调制信号为1 kHz的正弦信号。当输入信号在-80～-10dBm的范围内，接收机能准确检波出AM信号的包络，如图6所示；当信号是-83 dBm时，由于AD608的中频输入端有干扰信号，检波输出信号失真，并且频率不稳定，如图7所示；当信号是-8 dBm时，AD608的输入端信号是+7 dBm已经达到饱和，所以检波信号的波峰被削平，如图8所示。根据实验可知，增大中频接收机的动态范围关键要抑制干扰信号，提高输人端的信噪比。
　　
　　
　　4 结 语
　　通过对中频接收机进行调试及测量。它在±1 dB的线性度下的信号强度指示（RSSI）范围达到70 dB，基本满足设计要求。由于该设计的对数中频接收机的检波动态范围大并且工作性能稳定，已成功应用于某检测系统。在使用AD608时要恰当处理常见问题，比如在偏移反馈回路中使用不正确的元件值、比较差的印制板布局、以及存在射频干扰等，这些都会使得AD608在低端（低于-65 dBm）时失去RSSI测量能力，而使得限幅器随机摆动。比较差的印制板布局设计和不恰当的偏移反馈回路都会造成低频振荡；而不恰当的布局设计和屏蔽会产生射频干扰。