智能天線射頻前端電路的研究和設(shè)計

1、引言

隨著移動通信事業(yè)在全球范圍內(nèi)的迅猛發(fā)展，我國的移動通信總用戶已經(jīng)躍居世界第一。作 為通信強國，國內(nèi)許多大學和公司致力于通信事業(yè)的研究和發(fā)展，并與九十年代初，提出了我國第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的通信標準TD-SCDMA，它成為了第 三代移動通信系統(tǒng)中三大主流標準之一。其中，智能天線是第三代移動通信技術(shù)及三代以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要研究方向之一。應(yīng)用智能天線，可以有效抑制多 址干擾，成倍的提高系統(tǒng)容量，極大的改善頻譜的使用效率，是解決近年來移動數(shù)目急劇增加，頻譜資源匱乏的有效途徑。

在移動通信系統(tǒng)的基站設(shè)備結(jié)構(gòu)中，射頻前端模塊位于天線單元與中頻處理單元之間，其作用是為基站與用戶終端之間的通信提供信號通道。作為智能天線系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在一定程度上決定了整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

2、射頻前端在智能天線中的作用和構(gòu)成

在 智能天線接收系統(tǒng)中，射頻前端的任務(wù)是對信號進行放大及頻率變換，以滿足A/D采樣的要求，射頻前端輸出信號的質(zhì)量直接決定了整個智能天線系統(tǒng)的性能。它 包括收信單元和發(fā)信單元，其中收信單元的主要作用是接收來自用戶發(fā)出的上行射頻信號，對其進行濾波、放大和下變頻處理，然后對變頻后的模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn) 換和解調(diào)，產(chǎn)生需要的數(shù)字I/Q信號，送往基帶處理單元；發(fā)信單元的主要功能是對基站基帶處理單元送來的數(shù)字信號進行調(diào)制以及數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后上變頻到規(guī)定 的射頻頻段并進行功率放大，最后通過天線發(fā)射。射頻前端的典型原理框圖如圖1所示。

圖1：智能天線射頻前端工作原理框圖

3、接收機射頻前端特性

收信機的設(shè)計目的就是在引入盡可能最小的干擾的情況下，將輸入的電磁能量轉(zhuǎn)變成有用的信號。一般情況下，收信機的性能指標主要由以下幾個指標衡量：

（1） 接收參考靈敏度電平： 接收參考靈敏度是指在確保誤比特率（BER）不超過某一特定值的情況下，即保證能對信號正確解調(diào)的情況下，接收機接收的最小信號電平。
（2） 鄰道選擇性：鄰道選擇性指接收機濾波器在指定信道頻率上的衰減與在相鄰信道頻率上的衰減比值。鄰道選擇性的強弱，直接影響著射頻收信機的接收性能。
（3） 動態(tài)范圍：對于收信機來說，其接收動態(tài)范圍指在滿足一定的通信質(zhì)量的前提下它能夠處理的最小與最大信號功率范圍。
（4） 雜散抑制：雜散抑制是指接收機對有用信號以外的其他雜散信號（如寄生信號、本振泄漏等）的抑制能力。

典 型的接收機設(shè)計主要有超外差接收機和零中頻接收機兩種形式。零中頻接收機或者接近零中頻接收機又叫直接變換接收機，這是近年來比較偏愛的一類接收機，但零 中頻接收技術(shù)上還有些問題。超外差接收機是最為普遍的接收機，它比零中頻接收機具有更好的噪聲性能，能有效的抑制接近有用信號的干擾， 因此，TD-SCDMA系統(tǒng)適宜采用這種超外差接收機的方案。

4、接收機射頻前端的設(shè)計實現(xiàn)

在TD-SCDMA射頻收信機模塊中考慮二次變頻方案，這是因為在不同頻率點分配增益穩(wěn)定性較好，并且更多的優(yōu)化濾波可提高接收機抗干擾能力。圖2為射頻前端發(fā)信機結(jié)構(gòu)圖。

圖2：射頻前端發(fā)信機結(jié)構(gòu)圖

RF前端包括射頻濾波器（RF Fliter），低噪聲放大器（LNA），中頻濾波器（IF Fliter），中頻放大器（IF Amplifier），混頻器（MIX）。

各部分電路的作用如下：
（1） RF Fliter1一般叫做預(yù)選器，它具有良好的單向性能和良好的反向隔離性，防止除接收頻率以外的干擾信號進入和防止本振（或發(fā)射） 信號通過接收天線泄漏；
（2） LNA選擇低噪聲、高增益的集成放大器，目的是補償預(yù)選器的損耗、提高系統(tǒng)的信噪比、加強混頻器/ 本振電路與輸入端口之間的隔離；
（3） 1st IF Fliter主要是實現(xiàn)鏡像抑制，在高放后必須有抑制，否則高放的噪聲系數(shù)會由于放大后的鏡像噪聲混頻進入信道而成倍增加。1st IF越高鏡像抑制濾波器的通頻帶越寬；
（4） 1st IF Amplifier的作用為補償混頻器的損耗，提供給2st IF Amplifier足夠電平；
（5） IF Fliter2實際上是一個低通濾波器，主要是抑制放大、混頻產(chǎn)生組合的干擾和雜波以及取出中頻信號。在混頻器選擇低端輸入，某些干擾信號可能在射頻信號 的低端產(chǎn)生，特別是在數(shù)字本振電路中，低端的中頻干擾信號會泄漏到混頻器的輸入端，混頻器對中頻干擾相當于一級放大器，能順利的通過后面的電路而形成干 擾；
（6） MIX1變頻采用的是低噪聲、大動態(tài)、隔離度高的DMOS 場效應(yīng)管集成的無源雙平衡混頻器。MIX2變頻采用的是無源雙平衡混頻器。

5、仿真結(jié)果

根 據(jù)3GPP標準的要求，對收信鏈路設(shè)計進行了仿真，對收信鏈路的各個器件建立相關(guān)模型，構(gòu)建射頻收發(fā)鏈路的設(shè)計平臺。由于篇幅的限制，這里沒有一一列出所 選器件的參數(shù)，仿真時，按照所選器件的性能指標，使用各個的行為級功能模塊，直接按設(shè)計要求對其參數(shù)進行設(shè)定，然后對整機方案的各種特性進行仿真。

（1） 頻帶選擇性仿真

由仿真結(jié)果可看到，在偏離中心頻率190MHz處，即1820～1835MHz頻段，可得到78dB左右的衰 減；在偏離中心頻率380MHz處，即1630～1645MHz頻段，可得到98dB左右的衰減，此外接收機射頻前端的接收帶寬為20MHz，和TD- SCDMA系統(tǒng)的要求相吻合，而且通帶內(nèi)的波動不超過0.01dB。

圖 3： 頻帶選擇性仿真結(jié)果圖