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引言 單片化、模塊化、現代化是現代接收機技術(shù)的發(fā)展趨勢，包括通信領(lǐng)域、雷達領(lǐng)域及其他相關(guān)領(lǐng)域的接收機。但是，由于各種新型器件的研發(fā)周期越來(lái)越短，要求雷達接收機的更新?lián)Q代也就越來(lái)越快，這就給接收機系統設計提出了新的、更高的要求。而在傳統接收機系統設計中，數字電路的設計、仿真已經(jīng)非常成熟，其RTL、系統級的仿真工具已經(jīng)大量出現;但在模擬電路設計方面，這種高層次仿真、綜合工具還相對落后，以前基本依靠系統工程師自身多年經(jīng)驗甚至直覺(jué)來(lái)進(jìn)行模擬前端設計，根本沒(méi)有優(yōu)化與分配[1]，嚴重約束了系統開(kāi)發(fā)周期。 隨著(zhù)電路結構的日趨復雜和工作頻率的提高，在電路與系統設計的流程中， EDA軟件已經(jīng)成為不可缺少的重要工具。EDA軟件所提供的仿真分析方法的速度、準確與方便性便顯得十分重要，此外該軟件與其他EDA軟件以及測量?jì)x器間的連接，也是現在的龐大設計流程所必須具備的功能之一。Agilent公司推出的ADS軟件以其強大的功能成為現今國內各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。本文的系統設計方法正是基于A(yíng)DS軟件進(jìn)行仿真分析的。 系統設計方法 本文提出的系統設計方法從系統整體入手，將整體指標通過(guò)預算分析分配給不同的模塊，獲得各模塊具體指標后就可以進(jìn)行各模塊的具體設計，然后驗證其可行性，進(jìn)而大大縮短設計時(shí)間，提高設計的可靠性，避免了重復工作和資源浪費。此種方法消除了以往設計方法的盲目性，將采用定量?jì)?yōu)化的方法，自頂而下進(jìn)行設計，如圖1所示。傳統設計一般是自下而上，先設計每個(gè)單元模塊，再把它們組合成系統整體。這樣做一方面有可能達不到總體要求;另外一方面，為了滿(mǎn)足整體指標，加大了單元模塊設計的難度;此外，對于不同的系統要求和標準，還必須重新設計，費力而且費時(shí)。采用自頂向下的設計方法則完全避免了這些問(wèn)題。 
系統結構的優(yōu)化選擇 如今的雷達接收機系統在符合各種不同標準的同時(shí)必須在各種信號鏈路中滿(mǎn)足嚴格的指標要求。根據雷達接收機預先設定的性能指標進(jìn)行系統結構的優(yōu)化選擇，首先對各種接收機結構性能進(jìn)行仿真分析，得到粗略的性能極限標界;同時(shí)，根據關(guān)鍵性能指標建立系統優(yōu)化理想行為模型，并利用大量已測產(chǎn)品行為模型進(jìn)行修正。比如，要對系統進(jìn)行鏈路預算仿真，預估整體性能是否滿(mǎn)足接收機系統要求，同時(shí)作為器件選取依據。 雷達接收機的常規結構如圖2所示。
在傳統接收機結構設計基礎上可以從頻譜利用率高低方面[2][3]對接收機結構進(jìn)行分類(lèi)，在此只簡(jiǎn)單介紹中等頻譜利用率的接收機結構。 此種結構中，未使用頻帶數和系統占用的大致相等，因此射頻前端應該支持在數個(gè)頻帶上的同時(shí)并行感知活動(dòng)。從電路觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，接收機組成器件數目大大增加。從實(shí)際應用考慮，并行處理路數應控制在4或5路為佳。此時(shí)，需要大功率精確控制多路本振信號，而它們又需要在固定頻率上工作，因此要求也相應的很寬泛。為了做到并行一致性，可用頻率必須足夠多，同時(shí)在ADC之后可以采用通道校準算法進(jìn)行通道校準[4]。因此，并行通道的基帶端口增大了帶寬，這就比低頻譜利用中需要更高速率和分辨率的A/D轉換器。 綜上所述，不同的系統結構，其性能指標極限和集成度是不同的，而指標極限和集成度又隨著(zhù)工藝的改進(jìn)而變化。因此，進(jìn)行系統結構優(yōu)化選擇時(shí)，還必須考慮未來(lái)工藝、電源電壓以及電路結構的演變對優(yōu)化模型的影響。 中等頻譜利用率接收機結構的系統模型如圖3所示。
從而得到系統結構性能向量為：
其中A1表示中等頻譜利用率接收機結構性能向量，f1、f2、f3、f4分別代表各濾波器的性能函數，a1、a2代表各放大器的性能函數，m1、m2代表各混頻器的性能函數。 通過(guò)類(lèi)似的方法，可以分別得到低頻譜利用率和高頻譜利用率接收機結構的性能向量A2、A3，并最終通過(guò)優(yōu)化函數：
得到最優(yōu)接收機系統結構。 通過(guò)這個(gè)仿真，將看到系統總增益在系統各個(gè)部分的分配情況。預算增益仿真在諧波平衡分析以及交流分析中都可以進(jìn)行，但如果在交流仿真中進(jìn)行的話(huà)，混頻器不能是晶體管級的。這里進(jìn)行的是行為級仿真，混頻器的非線(xiàn)性特征是已知的，因此需要用交流分析來(lái)進(jìn)行仿真[4][5]。 仿真會(huì )在接收機總增益最大和最小兩種情況下進(jìn)行以便得到較為全面的分析結果。當VGA增益為最大值時(shí)，信號源的功率電平為接收機的靈敏度-113dBm(已考慮了天線(xiàn)雙工器的損耗);反之，當VGA的增益最小時(shí)，信號源應輸入接收機所能接收的最大功率。這些參數的變化都要在VAR中設置出來(lái)。 可以在原框圖的基礎上設置預算路徑并建立預算方程，筆者兩次仿真的結果，如圖4(a)和4(b)所示，可以清楚地看到接收機在VGA增益最大和最小的情況下整機增益的分配情況。
由圖4還可以看出，接收機前端一般要有AGC的加入，以便動(dòng)態(tài)調節輸入信號的輸入功率，使之匹配ADC。
圖5所示為接收機功率增益預算，從圖中可以看出功率增益在各個(gè)器件上的分配情況。 射頻模塊的優(yōu)化選擇 在系統結構的優(yōu)化選擇中，已經(jīng)得到最優(yōu)的系統結構。而系統性能指標無(wú)法直接應用于結構規劃和模塊設計，需要把這些指標轉換為能直接反映射頻模塊性能的參數，如噪聲系數、線(xiàn)性度、穩定性等，因此可以分配具體的性能參數到各射頻模塊中去。 射頻模塊一般都可以分為放大、濾波、混頻等模塊，以放大器為例，其實(shí)際的行為模型還必須考慮各種非線(xiàn)性因素。 ●噪聲�？梢哉J為是與有用信號不相關(guān)的隨機干擾，主要有熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲三種類(lèi)型。接收機的噪聲系數主要取決于它的前端電路，若無(wú)高頻放大器，主要由混頻電路決定。 ●線(xiàn)性度。用來(lái)衡量線(xiàn)性度的指標主要有三階交調、二階交調和1dB壓縮點(diǎn)。 ●穩定性。因晶體管都存在著(zhù)內部反饋，當反饋量達到一定程度時(shí)，將會(huì )引起放大器穩定性變壞而導致自激。 這些非線(xiàn)性因素不是孤立的，而是與輸入信號疊加在一起共同組成系統的輸入輸出。用Sideal、Sn、Sl、Ss分別表示模塊的理想信號、噪聲、線(xiàn)性度、穩定性，則其輸入、輸出信號可以分別表示為
從而可以得到實(shí)際器件的行為模型，并結合ADS仿真分析其性能。 器件選型 在此只對一些典型器件如射頻濾波器、低噪聲放大器等進(jìn)行仿真、分析。 濾波器 由于是對天線(xiàn)接收下來(lái)的微弱射頻信號直接濾波，因此要求射頻濾波器的插損和帶內波動(dòng)等都盡可能小。為了滿(mǎn)足系統性能要求和提高接收機設備的動(dòng)態(tài)范圍，通常需要幾組濾波器，以減少干擾信號的數量和幅度，以及進(jìn)入接收機的噪聲。同時(shí)為了覆蓋整個(gè)頻段，采用電調諧濾波器是必然趨勢。電調諧濾波器是通過(guò)改變?yōu)V波網(wǎng)絡(luò )中的可變電容，來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )頻率響應的變化。利用電壓改變可變電容的容量，達到所需要的頻率響應。本設計中，每個(gè)頻段可以分別用一個(gè)電調諧濾波器來(lái)覆蓋。
多個(gè)電調諧濾波器的連接如圖6所示，其輸入信號為天線(xiàn)接收下來(lái)的射頻信號，輸出信號為經(jīng)過(guò)電調諧濾波器選擇的信號，可以滿(mǎn)足對濾波器(包括射頻濾波器和中頻濾波器)的超寬帶要求。因此，利用電子開(kāi)關(guān)和信號處理器的控制端口，就可以把濾波器置于帶內任意感興趣的頻段。 低噪聲放大器 根據所要求的靈敏度、帶通濾波器插損和ADC輸入電平的要求，設計放大器的增益和匹配等問(wèn)題。在搭建電路時(shí)尤其要注意電源旁路、寄生電容和外圍器件的選擇對充分發(fā)揮低噪聲放大器性能的影響。本文可以利用ADS軟件，按照參數要求，自行設計一個(gè)低噪聲放大器，并對其參數進(jìn)行優(yōu)化、仿真，得到如圖7所示的仿真結果。從結果可以看出，此低噪聲放大器基本滿(mǎn)足設計要求，可用于系統設計中。接著(zhù)可以根據軟件設計的結果繪制電路版圖，并加工成電路板。最后對加工好的電路進(jìn)行調試，使其滿(mǎn)足設計要求，此項工作將在以后完成。
把上述設計方法與傳統的基帶等效系統優(yōu)化方法結合起來(lái)，就形成了一個(gè)自上而下、能全面評價(jià)系統結構性能的設計流程。 結語(yǔ) 本文在常規接收機設計方法的基礎上，利用ADS軟件，提出了一種高效的系統設計方法。經(jīng)過(guò)驗證，大大縮短了雷達接收機系統的開(kāi)發(fā)周期，并且目前已逐步在筆者所在課題組項目中應用。 參考文獻： [1] 支傳德，楊華中，汪蕙. 射頻前端接收機頻率規劃[J]. 電路與系統學(xué)報, 2006(8):21-25 [2] Ramanathan R, Patridge C. Next Generation(XG) Architecture and Protocol Development(XAP).AFRL-IF-RS-TR-2005-281 Final Technical Report.2005(8) [3] 楊小牛, 樓才義, 徐建良. 軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2001 [4] 龔廣偉. 無(wú)線(xiàn)接收機前端設計及多通道校準技術(shù)研究[D]. 國防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2008 [5] 高峻. 無(wú)線(xiàn)通信射頻接收前端研究與設計[D]. 西南交通大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文, 2006 作者：龔廣偉 陳凡 國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院二系 胡顯學(xué) 96275部隊100分隊 胡顯學(xué) 96275部隊100分隊 任煬錕 61726部隊 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 2009-11-09 |
