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【摘要】 低频宽带直采接收机在无线电频谱管理领域具有重要应用，其中射频前端电路指标对整机设备性能影响显著。文中介绍了低频宽带直采接收机射频前端电路的设计方法，分析了前端噪声系数对整机灵敏度的影响，并给出了具体的电路设计思路和方法。最后通过实际电路验证了该接收机射频前端的性能，达到了设计指标要求。
【关键词】 宽带直采接收 射频前端电路 噪声系数 灵敏度
宽带直采接收机应用广泛，主要应用在无线电频谱监测和软件无线电领域，它是频谱管理部门掌握指定区域内无线电使用情况的基本手段，是为频率资源管理分配提供电磁环境实测数据的主要方式[1]。
目前，接收机的主要结构分为两种：一种是采用超外差结构，另一种是采用直采结构，该结构具的优点是输入信号不经过混频，前端预选后，利用高性能ADC直接采样，在数字域进行处理，灵活度高，电路复杂度低等[2]。
一、低频宽带直采接收机射频前端设计方案
作为接收机核心模块的射频前端电路一般由频率预选模块、预防大模块、抗混叠滤波模块、控制电路和电源电路组成。在某低高性能低频宽带直采接收机的研制中，综合考虑整机小型化、灵敏度和线性度的指标要求，射频前端电路框图设计如图1所示。
二、低频宽带直采接收机射频前端电路仿真和电路设计
2.1射频前端噪声系数和灵敏度
接收机的对微弱信号的接收能力直接反映在接收接灵敏度这一指标当中，接收的灵敏度与接收机的噪声系数和处理信噪比等因素相关。在低频宽带直采接收机中，噪声系数直接影响接收机的灵敏度。对于一个有n阶器件级联而成的系统而言，其总的噪声系数为式（1），其中Fn为第n级的噪声系数，Gn-1为第n-1级的增益。噪声系数还可以表示为以dB形式，如式（2）。由式（1）可知，接收机的总噪声系数由内部各级器件的噪声系数和增益共同决定，但起主要决定性作用的是前两级。因此，射频前端的设计目标是总增益65dB，总的噪声系数为：10dB，灵敏度在10kHz带宽内为-108dBm。由图1可知，前端各级增益和噪声系数分配如下：第一级放大电路增益10dB，噪声系数为5dB，第二级放大电路增益位60dB，噪声系数为11dB。根据各级电路的增益计算可知：前端电路总的理论增益为：G=-1dB+10dB+60dB-1dB=68dB。前端电路总的理论噪声系数计算为：
通过理论计算可知整个前端电路的噪声系数为7.33dB。理论上通过该射频前端设计方案是可以现在目标要求的。根据接收灵敏度和噪声系数的计算关系如式（3）所示[3]，式3中-174dBm/Hz为接收机的热噪声，NF为接收机整体的噪声系数，BW为系统的带宽，SNR为后端数字信号处理需要的信噪比（一般为10dB）。
Sin（dbm）= -174dBm/Hz + 7.33dB + 10log（10000） +10dB =-116.67dBm，即在理论上10kHz带宽能该接收机可接收到的最小信号为-116.67dBm，满足设计指标的要求。
2.2保护衰减控制及滤波电路设计
保护电路采用TVS二极管进行防护，衰减控制电路由3组Π行衰减电路构成，其衰减量最大可达70dB，由继电器进行切换控制。主要作用是防止输入信号过大，而导致第一级放大电路饱和失真。
带通滤波电路的主要作用是滤除带外杂散，采用椭圆滤波器结构形式，其具有陡峭的过渡带，可以较小的阶数实现滤波功能。
2.3阻抗变换和第一级及第二级放大电路设计
阻抗变换电路的作用是为了匹配第一级放大电路，从而使信号以最小损耗传输到下一级;第一放大电路对输入信号进行预放，其底噪声系数使整个链路的噪声都得到很好的抑制，第二级放大电路是将输入信号放大到ADC采样的范围内，设计原理图如图2所示。
2.4抗混叠滤波器设计
抗混叠滤波器采用有源滤波椭圆滤波来设计，其主要共功能是将放大后的信号限制在一定带宽内，同时滤除带外杂散，以便后续ADC采样和数字信号处理。抗混叠滤波电路的原理图如图3所示。
三、射频前端实际电路测试
通过对低频宽带直采接收机射频前端电路各部分功能的分析和仿真验证，在理论上其满足设计指标，同时制作了实际电路， 采用大增益测量法测试实际电路的噪声系数。大增益测量主要根据式4来测量，通过频谱仪测量出整个射频前端的增益，测出增益后，再测量射频前端在带宽BW内的噪声，通过式（4）可以计算出射频前端在不同频点的噪声系数，测量结果如表1所示。
由表1可知，通过实际电路测试的到的噪声系数最小为8.48dB，最大为9.17dB，均小于设计目标小于10dB，达到了该低频宽带直采接收机的设计目标。
四、结束语
本文通过对低频宽带直采接收机射频前端电路的仿真和實际电路测试，验证了该方案的可行性，满足了设计目标的要求，为直采接收机射频前端的设计提供了一种参考方法，具有一定的实用价值。
参 考 文 献
[1]朱庆厚.无线电监测与通信侦察[M].北京：人民邮电出版社，2005
[2]Ulrich L.Rohde，Jerry C.Whitaker，Hans Zaahnd著，楼才义，王建涛等译，杨小牛 审校.通信接收机原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2019.1
[3]Richard Chi-Hsi Li（李缉熙）著，鲍景富，唐宗熙，张彪译.射频电路工程设计[M].北京：电子工业出版社，2014.1
[4]Dual，Low Noise，Wideband Variable Gain Amplifiers AD600/AD602 datasheet. Analog Devices，Inc.
【关键词】 宽带直采接收 射频前端电路 噪声系数 灵敏度
宽带直采接收机应用广泛，主要应用在无线电频谱监测和软件无线电领域，它是频谱管理部门掌握指定区域内无线电使用情况的基本手段，是为频率资源管理分配提供电磁环境实测数据的主要方式[1]。
目前，接收机的主要结构分为两种：一种是采用超外差结构，另一种是采用直采结构，该结构具的优点是输入信号不经过混频，前端预选后，利用高性能ADC直接采样，在数字域进行处理，灵活度高，电路复杂度低等[2]。
一、低频宽带直采接收机射频前端设计方案
作为接收机核心模块的射频前端电路一般由频率预选模块、预防大模块、抗混叠滤波模块、控制电路和电源电路组成。在某低高性能低频宽带直采接收机的研制中，综合考虑整机小型化、灵敏度和线性度的指标要求，射频前端电路框图设计如图1所示。
二、低频宽带直采接收机射频前端电路仿真和电路设计
2.1射频前端噪声系数和灵敏度
接收机的对微弱信号的接收能力直接反映在接收接灵敏度这一指标当中，接收的灵敏度与接收机的噪声系数和处理信噪比等因素相关。在低频宽带直采接收机中，噪声系数直接影响接收机的灵敏度。对于一个有n阶器件级联而成的系统而言，其总的噪声系数为式（1），其中Fn为第n级的噪声系数，Gn-1为第n-1级的增益。噪声系数还可以表示为以dB形式，如式（2）。由式（1）可知，接收机的总噪声系数由内部各级器件的噪声系数和增益共同决定，但起主要决定性作用的是前两级。因此，射频前端的设计目标是总增益65dB，总的噪声系数为：10dB，灵敏度在10kHz带宽内为-108dBm。由图1可知，前端各级增益和噪声系数分配如下：第一级放大电路增益10dB，噪声系数为5dB，第二级放大电路增益位60dB，噪声系数为11dB。根据各级电路的增益计算可知：前端电路总的理论增益为：G=-1dB+10dB+60dB-1dB=68dB。前端电路总的理论噪声系数计算为：
通过理论计算可知整个前端电路的噪声系数为7.33dB。理论上通过该射频前端设计方案是可以现在目标要求的。根据接收灵敏度和噪声系数的计算关系如式（3）所示[3]，式3中-174dBm/Hz为接收机的热噪声，NF为接收机整体的噪声系数，BW为系统的带宽，SNR为后端数字信号处理需要的信噪比（一般为10dB）。
Sin（dbm）= -174dBm/Hz + 7.33dB + 10log（10000） +10dB =-116.67dBm，即在理论上10kHz带宽能该接收机可接收到的最小信号为-116.67dBm，满足设计指标的要求。
2.2保护衰减控制及滤波电路设计
保护电路采用TVS二极管进行防护，衰减控制电路由3组Π行衰减电路构成，其衰减量最大可达70dB，由继电器进行切换控制。主要作用是防止输入信号过大，而导致第一级放大电路饱和失真。
带通滤波电路的主要作用是滤除带外杂散，采用椭圆滤波器结构形式，其具有陡峭的过渡带，可以较小的阶数实现滤波功能。
2.3阻抗变换和第一级及第二级放大电路设计
阻抗变换电路的作用是为了匹配第一级放大电路，从而使信号以最小损耗传输到下一级;第一放大电路对输入信号进行预放，其底噪声系数使整个链路的噪声都得到很好的抑制，第二级放大电路是将输入信号放大到ADC采样的范围内，设计原理图如图2所示。
2.4抗混叠滤波器设计
抗混叠滤波器采用有源滤波椭圆滤波来设计，其主要共功能是将放大后的信号限制在一定带宽内，同时滤除带外杂散，以便后续ADC采样和数字信号处理。抗混叠滤波电路的原理图如图3所示。
三、射频前端实际电路测试
通过对低频宽带直采接收机射频前端电路各部分功能的分析和仿真验证，在理论上其满足设计指标，同时制作了实际电路， 采用大增益测量法测试实际电路的噪声系数。大增益测量主要根据式4来测量，通过频谱仪测量出整个射频前端的增益，测出增益后，再测量射频前端在带宽BW内的噪声，通过式（4）可以计算出射频前端在不同频点的噪声系数，测量结果如表1所示。
由表1可知，通过实际电路测试的到的噪声系数最小为8.48dB，最大为9.17dB，均小于设计目标小于10dB，达到了该低频宽带直采接收机的设计目标。
四、结束语
本文通过对低频宽带直采接收机射频前端电路的仿真和實际电路测试，验证了该方案的可行性，满足了设计目标的要求，为直采接收机射频前端的设计提供了一种参考方法，具有一定的实用价值。
参 考 文 献
[1]朱庆厚.无线电监测与通信侦察[M].北京：人民邮电出版社，2005
[2]Ulrich L.Rohde，Jerry C.Whitaker，Hans Zaahnd著，楼才义，王建涛等译，杨小牛 审校.通信接收机原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2019.1
[3]Richard Chi-Hsi Li（李缉熙）著，鲍景富，唐宗熙，张彪译.射频电路工程设计[M].北京：电子工业出版社，2014.1
[4]Dual，Low Noise，Wideband Variable Gain Amplifiers AD600/AD602 datasheet. Analog Devices，Inc.