一种高镜像抑制可调超宽带超外差接收射频前端

1.本发明涉及射频技术领域，尤其涉及一种高镜像抑制可调超宽带超外差接收射频前端。


背景技术：

2.近年来无线通信取得了巨大的发展，高性能的无线通信接收机越来越受到人们的关注，在民用和军事领域都有着巨大的应用。由于军用通信和民用通信在超短波和微波通信的迅猛发展，超短波和微波频段内资源变得非常匮乏。现代无线通信接收机除了要具有高灵敏度、高线性的性能外，各个国家对其宽带化的要求也日益提高。在确保通讯的畅通性和保密性的前提下，超宽带通讯逐渐引起了人们的重视，在高利用率、小型化、保密性好及成本低等方面超宽带通讯有着广泛的市场。
3.在民用通信方面，随着无线通信技术的不断更新和发展，无线通信系统在不同通信场景中的应用变得更加广泛。智慧城市和5g技术的出现推动了无线通信技术的创新，接收机不能仅工作在某一单一频段上，需要同时满足不同通信场景的应用。在军用通信方面，由于宽带接收机的频谱利用率高，抗干扰性强，在减小反辐射导弹对雷达的干扰、提高预警机制反应速度、提高弹道导弹的精度、减少导弹的反应时间等方面效果尤为突出。综上，超宽带覆盖越来越变得尤为重要，超宽带接收系统有着更为广泛的应用前景。
4.目前收发系统现有的常用技术方案大概有以下几种：超外差架构，零中频架构，数字中频架构。本发明使用超外差架构作为最终的技术方案。首先超外差接收机可以具有很大的接收动态范围，同时具有很高的邻道选择性和接收灵敏度。并且因受i/q信号不平衡度影响小，所以不需要复杂的直流消除电路。
5.另外，软件无线电技术的应用可以大大提高系统的灵活性。根据国际电信联(itu)的定义，软件无线电是一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带a/d、d/a尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。因此，以超外差架构及软件无线电的接收机拥有着广泛的应用场景。
6.图1为传统的超外差系统架构。对于接收机来说，天线接收到的射频信号在经过高频放大器放大之后与第一变频本振信号混频后，使射频信号变频成中频信号，后经过中频滤波器滤除第一次变频后产生的高频信号，并经过中频放大器放大后与第二变频本振信号直接下变频到基带，后经过低通滤波器输出两路相位相差90度的i/q信号，此为超外差接收系统的基本架构。
7.现有的超外差架构技术方案会受限于当今硬件的发展状况，可覆盖频率范围通常比较有限，很难兼顾各种通信制式且很难适应未来通信行业发展；且对于不同的通信标准来说，不能做到实施调控，本振频率不可调或可调范围过小，以至于难以适用不同的使用环境，系统的灵活性低；此外，传统的超外差系统存在镜像干扰的问题，即镜像频率如果位于天线接收的通频带内，通过外差的变频作用就会把镜像频率搬移到中频带内，对接收信号
形成干扰影响通信准确性。


技术实现要素：

8.鉴于此，本发明实施例提供了一种可调超宽带超外差接收射频前端装置，以克服传统接收射频前端的缺陷，使其覆盖较宽的频段范围，最大程度提高频谱利用率，并降低镜像信号对接收信号的干扰。根据本发明的一方面，提供了一种高镜像抑制可调超宽带超外差接收射频前端，所述接收射频前端装置包括：
9.第一本振模块，用于输出频段可调的双频信号，所述双频信号包括第一本振信号和第二本振信号；
10.控制模块，用于根据所需接收的射频信号的频段来调整所述第一本振模块输出的双频信号的频段，向通道控制模块发送通道控制指令；
11.接收模块，所述接收模块包括：宽带低噪声放大器、第一射频开关、第一变频通道、第二变频通道以及中频滤波和放大电路，所述接收模块用于接收射频信号，将所述射频信号经宽带低噪声放大器放大后经第一射频开关进入第一变频通道或第二变频通道，以与来自所述本振模块的第一本振信号或第二本振信号进行混频，转化为中频信号；其中，所述第一变频通道和所述第二变频通道各自包括i/q混频器和90
°
电桥，所述i/q混频器和90
°
电桥之前设置有隔直流电容；
12.通道控制模块，用于接收来自控制模块的通道控制指令，控制所述第一射频开关，使射频信号进入第一变频通道或第二变频通道；
13.供电模块，用于为所述接收模块和所述通道控制模块提供各自所需的电压。
14.在本发明的一些实施例中，所述装置还包括第二本振模块，用于输出单频信号；
15.在本发明的一些实施例中，所述控制模块还用于调整所述第二本振模块输出的单频信号的频段；
16.在本发明的一些实施例中，所述接收模块还包括巴伦和正交解调器，巴伦阻抗比为1:1，所述巴伦用于将经所述中频滤波和放大电路输出的中频信号转换为两路差分信号；所述正交解调器，用于对所述巴伦产生的两路差分信号与所述第三本振信号的两路差分信号进行混频，以对中频信号进行直接下变频，产生相位差90
°
的i/q差分信号。
17.在本发明的一些实施例中，所述中频滤波和放大电路包括中频滤波器和一级或多级中频放大器，所述中频滤波器，用于对滤除来自所述第一变频通道或第二变频通道的中频信号进行滤波，滤除高频信号；所述一级或多级中频放大器，用于对所述的来自中频滤波器的中频信号进行放大。
18.在本发明的一些实施例中，所述第一变频通道可进入的射频和本振的范围为6ghz至26.5ghz，所述第二变频通道可进入的射频和本振的范围为2.5ghz至8.5ghz。
19.在本发明的一些实施例中，所述接收模块还包括第二射频开关，所述第二射频开关用于在所述通道控制模块的控制下选择将来自所述第一变频通道或所述第二变频通道的中频信号输入至所述中频滤波和放大电路。
20.在本发明的一些实施例中，所述电源模块包括第一供电模块，第二供电模块和第三供电模块：所述第一供电模块用于为所述接收模块提供+5v直流电压；所述第二供电模块用于为通道控制模块提供+3.3v直流电压；所述第三供电模块用于为宽带低噪声放大器提
供+4v直流电压。
21.在本发明的一些实施例中，所述通道控制模块通过跳线帽为包括所述第一射频开关和所述第二射频开关在内的射频开关提供+3.3v和0v的正控制电压逻辑，从而控制所述射频开关。
22.在本发明的一些实施例中，所述控制模块为单片机；所述控制电路包括检测单元和调节单元，所述检测单元用于检测当前各通信频段的负荷；所述调节单元基于检测单元的检测结果来调节所述第一本振模块和所述第二本振模块输出的本振信号的频段。
23.在本发明一些实施例中，所述控制模块为ecu(electronic control unit)电子控制单元；
24.本发明实施例的可调超宽带超外差接收射频前端装置，基于超外差架构，工作频率范围覆盖为2.5-12ghz，涵盖3.5g、5ghz、6ghz等重要频段，有助于通过多频带聚合的方式实现12ghz以下各分立频段的充分利用，具有高镜像抑制，超宽带的特点；能够通过spi串行接口实现本地振荡源频率编程可调，结合软件无线电技术，根据各通信频段当前负荷情况做出实时调整，最大程度提高频谱利用率；通过无源正交混频器与90
°
电桥的连接方式在第一次混频中降低了对镜像信号的干扰。
25.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
26.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
28.图1为传统的超外差系统架构示意图。
29.图2为本发明一实施例中各模块逻辑连接示意图。
30.图3为本发明一实施例中一种可调超宽带超外差接收射频前端装置的系统整体架构示意图。
31.图4为本发明一实施例中控制模块内容示意图。
32.图5为本发明一实施例中本振模块内容示意图。
33.图6为本发明一实施例中接收模块内容示意图。
34.图7为本发明一实施例中接收模块中第一变频通道和第二变频通道内容示意图。
35.图8为本发明一实施例第一变频通道和第二变频通道结构示意图。
36.图9为本发明一实施例中通道控制模块内容示意图。
37.图10为本发明一实施例中供电模块内容示意图。
38.图11为本发明一实施例的系统增益仿真图。
39.图12为本发明一实施例的系统解调星座图。
40.图13为本发明一实施例的第一变频通道降低对功率为0dbm的镜像信号干扰的效
果图。
41.图14为本发明一实施例的第二变频通道降低对功率为0dbm的镜像信号干扰的效果图。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
43.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
44.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
45.为解决现有接收射频前端装置的局限性，降低其镜像干扰和增加可适用频段的范围，本发明提供了一种高镜像抑制可调超宽带超外差接收射频前端。下面结合示例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。本发明通过对传统超外差架构的升级，使接收系统的接受频带范围展宽，提高频带利用率，减小接收误差，提高系统灵活性，减弱传统超外差架构中镜像信号对接收的干扰。，具体技术方案见后面部分，本发明所要实现的技术指标如下：
[0046][0047]
图2为本发明一实施例中各模块逻辑连接示意图，如图2所示，本实施例主要包含以下模块：第一本振模块，控制模块，供电模块，接收模块，通道控制模块。
[0048]
本发明实施例的第一本振模块采用的是亚德诺(adi)半导体技术有限公司的adf4372芯片用于输出频率范围可调的双频信号，所述双频信号包括第一本振信号和第二本振信号，输出频率为4000mhz至16000mhz幅度可调的双频信号。本实施例中本振模块还包括第二本振模块，采用的是亚德诺(adi)半导体技术有限公司的adf4350芯片用于输出单频信号，在本实施例中又称第三本振信号，其频率范围为137.5mhz至4400mhz的幅度可调的第三本振信号。
[0049]
图5为本发明一实施例中本振模块内容示意图，本振模块包含第一本振模块和第二本振模块，但本振模块数量不局限在二个，可以有一个或多个，通过本振模块多次和处理
后的信号混频对接收的信号进行处理。
[0050]
本发明实施例的控制模块用于根据所需接收的射频信号的频段来调整所述第一本振模块输出的双频信号的频率范围，向通道控制模块发送通道控制指令。图4为本发明一实施例中控制模块内容示意图，控制模块包含检测单元和调节单元，其中检测单元用于检测所需接收的射频信号的频段，调节单元用于基于检测单元的检测结果来调节所述第一本振模块输出的双频信号的频段。在本发明例中，控制模块还用于控制调整第二本振模块输出的单频信号的频段。当发明例中存在更多的本振模块时，控制模块可以相同的对其输出的单频信号范围进行动态调控。在本实施例中，控制模块的功能通过单片机来完成，其型号为stc89c516，本发明所述数字控制是指，可将程序下载至单片机，再通过spi(serial peripheral interface
‑‑
串行外设接口)接口连接至其他可数控芯片。由此可完成对信号的接收和对整个系统的实时控制，可根据不同的使用环境调整系统的不同工作状态，可适用超宽频段范围，显著提高了频带利用率。
[0051]
需要说明的是，控制模块的功能也能够通过ecu(electronic control unit)电子控制单元来完成，控制模块的功能完成不局限于单片机和电子控制单元，技术领域内的其他公知的技术手段不再罗列。
[0052]
本发明实施例的接收模块包括：宽带低噪声放大器、第一射频开关、第一变频通道、第二变频通道以及中频滤波和放大电路，所述接收模块用于接收射频信号，将所述射频信号经宽带低噪声放大器放大后经第一射频开关进入第一变频通道或第二变频通道，以与来自所述本振模块的第一本振信号或第二本振信号进行混频，转化为中频信号。图7为本发明一实施例中接收模块中第一变频通道和第二变频通道内容示意图，第一变频通道和所述第二变频通道各自包括i/q混频器和90
°
电桥，所述i/q混频器和90
°
电桥之前设置有隔直流电容。
[0053]
图8为本发明一实施例第一变频通道和第二变频通道结构示意图，对镜像信号的抑制技术应用在第一混频阶段，即第一变频通道和第二变频通道，为了减少镜像信号对接收信号的干扰，使用90
°
电桥和i/q混频器来改进hartley镜像抑制架构，该结构在完成第一次变频的同时也可起到镜像抑制的作用，并不会增加电路复杂度。其中第一变频通道和第二变频通道结构相同如图8：镜像信号和射频信号同时从射频信号端口进入。射频信号频率低于本振信号，在经过混频后输出两路中频信号，分别为第一中频信号和第二中频信号。其中第一路中频信号相位高于第二路中频信号相位90
°
。在经过90
°
电桥后两路中频相位相等。并合为一路中频信号。镜像信号的频率高于本振信号频率，在经过混频后输出两路中频信号第一路中频信号和第二路中频信号。其中第二路中频信号相位高于第一路中频信号相位90
°
。在经过90
°
电桥后两路中频相位相差180
°
，并相抵消。
[0054]
在本实施例中接收模块还包括第一巴伦和正交解调器，巴伦用于将经所述中频滤波和放大电路输出的中频信号转换为两路差分信号；正交解调器，用于对所述巴伦产生的两路差分信号与所述第三本振信号的两路差分信号进行混频，以对中频信号进行直接下变频，产生相位差90
°
的i/q差分信号。在本实施例中的第一巴伦阻抗比为1:1。
[0055]
图6为本发明一实施例中接收模块内容示意图，接收模块包含超宽带低噪声放大器、第一射频开关、第一变频通道、第二变频通道、第二射频开关、中频滤波器、中频放大器、第一巴伦和调制解调器。
[0056]
在本实施例中，第一变频通道可进入的射频和本振的范围为6ghz至26.5ghz，所述第二变频通道可进入的射频和本振的范围为2.5ghz至8.5ghz。
[0057]
中频滤波和放大电路包括中频滤波器以及一级或多级中频放大器，中频滤波器用于对滤除来自所述第一变频通道或第二变频通道的中频信号进行滤波，滤除高频信号；一级或多级中频放大器，用于对所述的来自中频滤波器的中频信号进行放大。
[0058]
图3为本发明一实施例中一种可调超宽带超外差接收射频前端装置的系统整体架构示意图，其中接收模块，从右至左依次为超宽带低噪声放大器hmc772，第一射频开关hmc1118，由射频开关可将接收系统分为两个通道。第一通道右至左依次为无源正交(i/q)混频器hmc8191，90
°
电桥qcn-27d。第二通道右至左依次为无源正交(i/q)混频器hmc8193，90
°
电桥qcn-27d。在之后两个通道连接第二射频开关hmc1118，由此完成了两个通道与后续系统的联通,之后由右至左依次为中频滤波器dea142450bt-3024a1，第一级中频放大器hm639，第二级中频放大器hm636，1:1巴伦1720bl5b0050,i/q正交解调器adl5380。其中hmc772,hmc1118,hmc8191,hmc8193,hmc639，hmc636，adl5380指亚德诺半导体技术有限公司所生产的芯片及其附属电路；1720bl5b0050为约翰逊科技公司(johanson technology company)所生产的芯片。qcn-27d为mini-circuits公司所生产的芯片。dea142450bt-3024a1为东京电气化学工业株式会社所生产的芯片。
[0059]
在本实施例中，接收模块的具体工作流程为：
[0060]
第一阶段：接收到的射频信号先经过超宽带低噪声放大器hmc772，该放大器可提供15db的信号增益且噪声系数仅为1.8db。之后射频信号经过第一射频开关hmc1118，hmc1118是宽带、非反射式单刀双掷(spdt)开关，开关由+3.3和0v的正控制电压逻辑线路控制工作，可使射频信号进入不同通道。
[0061]
第二阶段：当射频信号进入第一变频通道后，先经过无源正交(i/q)混频器hmc8191，该混频器的双平衡架构提供了出色的lo(local oscillator signal，本振信号)至rf(radio frequency，射频信号)和lo至if(intermediate frequency，中频信号)隔离，并降低lo泄漏的影响，以确保信号完整性。射频信号在无源正交(i/q)混频器与第一本振信号混频输出相位相差90
°
的i/q中频信号，输出的两路中频信号先通过隔直流电容，后通过90
°
电桥qcn27d合成一路中频信号，通过这种通道架构可降低镜像频率的干扰。当射频信号进入第二变频通道后，先经过无源正交(i/q)混频器hmc8193，同样混频器的双平衡架构提供了出色的lo至rf和lo至if隔离，并降低lo泄漏的影响，以确保信号完整性。射频信号在无源正交(i/q)混频器与第二本振信号混频输出相位相差90
°
的i/q中频信号，输出的两路中频信号先连接隔直流电容，后通过90
°
电桥qcn27d合成一路中频信号，第二变频通道架构与第一变频通道架构相同，同样可降低镜像频率的干扰。后两个通道经过第二射频开关hmc1118完成了变频通道与后续系统的联通。
[0062]
第三阶段：第二射频开关hmc1118输出的中频信号先经过中频滤波器dea142450bt-3024a1，中频滤波器将滤除第一次变频产生的高频信号。中频信号在经过中频滤波器后经过第一级中频放大器hmc639，可在尽可能抑制噪声的情况下放大信号约13db。第二级中频放大器hmc636继续放大信号，增益约为13db。以上所述放大器均具有高线性度，高ip3，低噪声特性。之后信号通过阻抗比为1:1的第一巴伦，可将阻抗为50ω的单端信号转为两路阻抗为50ω的差分信号，如此可以有效抑制多频带信号的共模干扰(本发明
中，所述阻抗均为对地阻抗，以下不再赘述)。
[0063]
第四阶段：经过1:1巴伦后产生的两路差分信号与第三本振的两路差分信号在i/q解调器adl5380中混频，对中频信号进行直接下变频。本振信号频率可调，与中频信号频率相同。混频后产生两对相位差90度的i/q差分信号。
[0064]
需要说明的是，混频的具体原理与电路图细节为该技术领域公知，此处不详细介绍，具体可参阅附件adl5380说明书。
[0065]
本发明实施例的通道控制模块用于接收来自控制模块的通道控制指令，控制所述第一射频开关，使射频信号进入第一变频通道或第二变频通道。在本实施例中，在第一变频通道和第二变频通道之后还存在一个第二射频开关，其用于在所述通道控制模块的控制下选择将来自所述第一变频通道或所述第二变频通道的中频信号输入至所述中频滤波和放大电路。
[0066]
图9为本发明一实施例中通道控制模块内容示意图，包含第一射频开关和第二射频开关。
[0067]
在本实施例中，通道控制模块通过跳线帽为包括所述第一射频开关和第二射频开关在内的射频开关提供+3.3v和0v的正控制电压逻辑，通过跳线帽的连接模式可控制逻辑线路的输入电压达到控制通道开关的效果。需要说明的是，通道控制的完成不只局限于通过跳线帽这一种方式，技术领域内通识性的替代性技术手段也在方案范围内。
[0068]
本发明实施例的供电模块用于为所述接收模块和所述通道控制模块提供各自所需的电压。
[0069]
图10为本发明一实施例中供电模块内容示意图，包括第一供电模块，第二供电模块和第三供电模块，采用一片tps79650(texas instruments)，一片tps79633(texas instruments)和一片tps79650(texas instruments)，所述第一供电模块用于为所述接收模块提供+5v直流电压，所述第二供电模块用于为通道控制模块提供+3.3v直流电压，所述第三供电模块用于为宽带低噪声放大器提供+4v直流电压。
[0070]
在本发明实施例中，该接收射频前端装置达到了预期要实现的技术目标，具有如下优势：
[0071]
1、此接收射频前端工作频率范围为2.5-12ghz涵盖3.5、5、6ghz等重要频段，有助于通过多频带聚合的方式实现12ghz以下各分立频段的充分利用，图11为本发明实施例的系统增益仿真图，图12为本发明一实施例的系统解调星座图，经测试evm均小于2.0％，仿真链路增益为34db；
[0072]
2.通过spi串行接口实现本地振荡源频率编程可调，结合软件无线电技术，可根据各通信频段当前负荷状况做出实时调整，最大程度提高频谱利用率；
[0073]
3.通过i/q混频器与90
°
电桥的连接方式在第一次混频中降低了镜像信号的干扰，
[0074]
图13为本发明一实施例的第一变频通道降低对功率为0dbm的镜像信号干扰的效果图，
[0075]
图14为本发明一实施例的第二变频通道降低对功率为0dbm的镜像信号干扰的效果图，证明其通道内镜像干扰抑制约为29db以上。
[0076]
需要说明的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具
体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0077]
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。