超短波頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化接收機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，頻率資源供需矛盾日益突出。為了對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，掌握各種無(wú)線電業(yè)務(wù)和通信系統(tǒng)，特別是寬帶無(wú)線接入、物聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)用頻的背景噪聲和頻率使用情況，設(shè)計(jì)了一種超短波頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化接收機(jī)。該接收機(jī)監(jiān)測(cè)的頻率范圍為20 MHz～3 GHz，可提供多種IF處理帶寬以適應(yīng)處理不同信號(hào)的要求，具有較高的接收靈敏度和抗干擾性能，并具有最佳信噪比，能適應(yīng)較寬動(dòng)態(tài)范圍的監(jiān)測(cè)需要。
關(guān)鍵詞：超短波；變頻；濾波；數(shù)字信號(hào)處理

0 引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線電頻譜管理的任務(wù)越來(lái)越重，因此，超短波頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣?？蓢?guó)內(nèi)相關(guān)職能部門所配置的超短波監(jiān)測(cè)設(shè)備幾乎都是國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，如德國(guó)的羅德與施瓦茨公司(R＆S)的EB200、ESMB監(jiān)測(cè)接收機(jī)，美國(guó)Agilent公司的E3238S／N6820E專用無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而這些設(shè)備性能雖好但價(jià)格相當(dāng)昂貴。
本文設(shè)計(jì)的超短波頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化接收機(jī)，所有輸入、輸出線都將采用過(guò)濾和篩選設(shè)計(jì)，從而極大地降低雜散輻射，提高對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力，以監(jiān)測(cè)20 MHz～3 GHz頻率范圍內(nèi)超短波信號(hào)，可提供多種IF處理帶寬以適應(yīng)處理不同信號(hào)的要求，并具有最佳信噪比。其性價(jià)比要優(yōu)于田外同類產(chǎn)品，其性能將超越EB200型，與性能較高的ESMB接收機(jī)相當(dāng)，既適合移動(dòng)式監(jiān)測(cè)使用，也適合固定式監(jiān)測(cè)使用，是用于物聯(lián)網(wǎng)之分布式無(wú)線頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要接收設(shè)備。

1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)
整機(jī)框圖如圖1所示，它由高放、一變頻、一中放、二變頻、二中放、標(biāo)頻、一本振、二本振、DSP部分、控制等部分組成。

天線輸入信號(hào)經(jīng)高放、一變頻部分前端濾波及變頻后產(chǎn)生一中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)一中放后提供給二變頻進(jìn)行第二次變頻、濾波、放大和增益控制等工作，二次混頻后產(chǎn)生70 MHz二中頻，提供給DSP工作和模擬中頻輸出。標(biāo)頻部分采用功分器將標(biāo)頻分成三路，分別提供給一本振、二本振和DSP單元，供各部分使用。一本振主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生接收頻率范圍內(nèi)的本振信號(hào)：3115～4 885 MHz，二本振負(fù)責(zé)產(chǎn)生與一中頻頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的本振信號(hào)。DSP部分對(duì)輸入的70 MHz二中頻進(jìn)行采樣及相應(yīng)的數(shù)字化處理，完成音頻輸出、AGC控制等功能，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)傳送給控制部分。控制部分負(fù)責(zé)整機(jī)各個(gè)單元部分的控制，同時(shí)把DSP傳來(lái)的頻譜數(shù)據(jù)通過(guò)RJ45接口傳送給后端計(jì)算機(jī)。

2 前端信道設(shè)計(jì)
整機(jī)前端信道部分如圖2所示，分別由天線輸入衰減、前端輸入開(kāi)關(guān)濾波器組、一本振濾波放大、一混頻以及一中頻的濾波與放大、增益控制、二混頻、二中頻濾波與放大電路等組成。

考慮到信號(hào)強(qiáng)弱的不同以及對(duì)輸入強(qiáng)信號(hào)的抗干擾問(wèn)題，在前級(jí)輸入采用直通與衰減串聯(lián)工作模式，通過(guò)可摔衰減器來(lái)控制，衰減范圍為0～30 dB。開(kāi)關(guān)濾波器組覆蓋全部接收頻段，由4個(gè)電調(diào)濾波器和4個(gè)帶通濾波器組成，除要求插損盡可能小以外，還要有一定的帶外衰減能力。在全頻段內(nèi)20～950 MHz采用電調(diào)濾波器，950～3000 MHz采用帶通濾波器的形式。在濾波之后，為確保整機(jī)靈敏度不受影響再進(jìn)行輸入高放，在放大后再進(jìn)行一次特定的1 800MHz低通、高通濾波然后再進(jìn)行一混頻以確保中抗、像抗和本振泄漏指標(biāo)。由于經(jīng)混頻后信號(hào)損耗較大，需再進(jìn)行一級(jí)放大，然后經(jīng)衰減器進(jìn)入一中頻的濾波與放大。對(duì)于驅(qū)動(dòng)一混頻的一本振來(lái)說(shuō)其頻率范圍在3 115～4 885 MHz之間，不在接收信號(hào)覆蓋的頻率上。為抑制本振帶入的干擾及噪聲對(duì)一混頻電路的影響，對(duì)一本振信號(hào)在混頻前進(jìn)行高通濾波和放大。在一混頻后，分別是一中頻的濾波、放大、增益控制，二混頻，二中頻的濾波、放大和增益控制及70 MHz中頻輸出電路。其中，一中頻濾波采用兩級(jí)濾波，一級(jí)增益控制，控制量為31．5 dB，二中頻濾波采用2檔開(kāi)關(guān)濾波器組，各擋帶寬分別為1 MHz，8 MHz，一級(jí)增益控制，控制量為31．5 dB。這樣預(yù)計(jì)整個(gè)信道增益為63 dB，總增益控制量為93 dB；射頻控制量為30 dB，中頻控制量為63 dB。加上DSP的數(shù)字增益控制，總增益控制量可達(dá)到120 dB。

3 數(shù)字信號(hào)處理(DSP)單元設(shè)計(jì)
DSP有兩種工作模式：解調(diào)和中頻全景模式。為了提高數(shù)字掃描的速度，采用8 MHz中頻帶寬濾波器，以減少本振調(diào)整次數(shù)；解調(diào)和中頻全景頻潛顯示同時(shí)進(jìn)行，選用帶寬為1 MHz濾波器，接收頻道處于頻譜顯示中心。A／D變換采用50 MHz時(shí)鐘，然后采用14 MHzNCO將采樣信號(hào)下變頻至零中頻，進(jìn)行抽取濾波解調(diào)。在數(shù)字掃描時(shí)，解調(diào)停止，中頻帶寬取8 MHz，NCO固定在14 MHz，抽取濾波之后作FFT，并根據(jù)頻率分辨率逐點(diǎn)存儲(chǔ)并顯示。DSP單元設(shè)計(jì)如圖3所示。

DSP單元主要輸入輸出說(shuō)明：
70 MHz中頻輸入、50 MHz A／D采樣時(shí)鐘輸入、控制器接口命令參數(shù)輸入。
模擬視頻數(shù)據(jù)輸出、增益控制電壓輸出(MGC，AGC)、控制器接口“FFT”頻譜數(shù)據(jù)、AFC偏移量和信號(hào)電平強(qiáng)度檢測(cè)輸出。

4 電源設(shè)計(jì)
本機(jī)電源采用開(kāi)關(guān)電源組件以提供整機(jī)所需的電源需求，共分五組電源：+12 V，-12 V，+5 V，-5 V，+3．3 V。考慮到信道實(shí)際的電源使用情況，須增加一組+24 V電源，將由DC／DC模塊變換產(chǎn)生，這幾組電源基本能滿足信道、DSP單元部分的需求。

5 結(jié)語(yǔ)
該接收機(jī)采用二次變頻方案，DSP住第二中頻70MHz上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，對(duì)20MHz～3GHz監(jiān)測(cè)頻率范圍內(nèi)的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行快速掃描榆測(cè)，以判別信號(hào)的存在。研制出的樣機(jī)具有體積小、重量輕、掃描速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在無(wú)線電超短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有十分廣闊的市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)前景。