基于AD608芯片的對(duì)數(shù)中頻低功耗接收機(jī)設(shè)計(jì)

?在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于信號(hào)傳輸過(guò)程存在多徑衰落和傳輸衰減等因數(shù)，使得系統(tǒng)中的移動(dòng)終端接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大。而且當(dāng)移動(dòng)終端距離基站較近時(shí)，由于當(dāng)輸入端信號(hào)過(guò)強(qiáng)或伴有較大的干擾電壓輸入時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“過(guò)載”現(xiàn)象。為了解決此問(wèn)題，需要將較寬輸入動(dòng)態(tài)范圍壓縮成較窄的輸出動(dòng)態(tài)范圍，并保留輸入信號(hào)的幅度、頻率和相位信息，常采用的方法是自動(dòng)增益控制電路(Automatically GainControlled)和對(duì)數(shù)放大器(Logarithmic Amplifier)。由于對(duì)數(shù)放大器的動(dòng)態(tài)范圍比AGC電路動(dòng)態(tài)范圍寬，而且對(duì)數(shù)放大器的輸出信號(hào)失真較小，可以準(zhǔn)確反映輸入信號(hào)的頻率和相位信息。因此，在大多數(shù)的無(wú)線通信、雷達(dá)系統(tǒng)中，采用對(duì)數(shù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的中頻放大。在此采用具有大動(dòng)態(tài)范圍、高精度和低功耗等特點(diǎn)的對(duì)數(shù)放大器AD608進(jìn)行中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 關(guān)于AD608芯片
??? AD608采用16腳塑料SOIC封裝形式，片內(nèi)集成了低功耗、低失真、低噪聲的混頻器和一個(gè)完整的對(duì)數(shù)／限幅放大器，該放大器使用“連續(xù)檢測(cè)”技術(shù)，可以提供一個(gè)高速的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)輸出，同時(shí)其內(nèi)部的限幅器還可提供硬限幅信號(hào)輸出。它具有以下特性：動(dòng)態(tài)范圍為80 dB，輸入信號(hào)帶寬大于500 MHz，限幅輸出相位抖動(dòng)典型值是士3°，電壓范圍為2．7～5．5 V，典型功耗21 mW(3 V供電時(shí))。
??? 該芯片的對(duì)數(shù)中頻放大器包含五級(jí)放大器，每一級(jí)的增益為16 dB?！斑B續(xù)檢測(cè)”結(jié)構(gòu)共有7級(jí)檢測(cè)器，其中包括五級(jí)全波檢測(cè)器和兩個(gè)用于限幅放大器輸入端驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于5 kΩ的負(fù)載，限幅器的輸出驅(qū)動(dòng)為±200 mV。限幅放大器的電壓增益大于100 dB，轉(zhuǎn)換時(shí)間是11 ns。在頻率為10．7 MHz時(shí)，對(duì)于－75～+5 dBm的輸入范圍，其相位穩(wěn)定度在－3°～+3°內(nèi)。

??? AD608中頻子系統(tǒng)芯片以其優(yōu)越的特性可廣泛用于PHS，GSM，TDMA，F(xiàn)M，PM接收機(jī)系統(tǒng)、采用電池供電的儀表設(shè)備以及基站RSSI測(cè)量系統(tǒng)中。由于對(duì)數(shù)放大器AD608具有信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)功能，可以實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的檢波，同時(shí)它的限幅輸出還可以精確再現(xiàn)輸入信號(hào)的頻率和相位信息。因此，這里采用AD608作為核心器件進(jìn)行中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)。

2 對(duì)數(shù)中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)
??? 對(duì)數(shù)中頻接收機(jī)作為某檢測(cè)系統(tǒng)的中頻部分，其功能是實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的放大和檢波。對(duì)數(shù)中頻接收機(jī)主要由低噪聲放大器、帶通濾波器和對(duì)數(shù)放大器等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。對(duì)數(shù)放大器是這樣標(biāo)度的：對(duì)于本振放大器的-75 dBm的輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)電平為0．2 V；而在其輸入為5 dBm時(shí)，輸出為1．8 V；在整個(gè)范圍中，對(duì)數(shù)放大器的一致性在±1 dB內(nèi)。AD608中對(duì)數(shù)放大器的斜率正比于電源電壓，反饋環(huán)路可自動(dòng)將輸入偏移調(diào)整到零。

2．1 低噪聲放大器
??? AD608進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度指示所要求的輸入信號(hào)范圍是-75～+5 dBm，為了保證接收機(jī)的高靈敏度和70 dB的動(dòng)態(tài)范圍，必須使中頻信號(hào)滿足對(duì)數(shù)放大器的輸入要求。因此，需要一級(jí)低噪聲放大器對(duì)輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行匹配、放大。該設(shè)計(jì)采用的放大器是MINI公司的EAR-5，其電路連接圖如圖3所示。放大器前端的π型網(wǎng)絡(luò)(R5，R6，R23)是放大器的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以使其線性輸出功率更大。

2．2 帶通濾波器
??? 從射頻前端輸入到中頻單元的信號(hào)不可避免地包含其他干擾信號(hào)和噪聲，而且前端放大器在對(duì)有用信號(hào)放大的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生其他諧波分量。這些干擾信號(hào)輸入AD608中會(huì)導(dǎo)致該芯片在低端(輸入信號(hào)低于-65 dBm)時(shí)不能進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度指示，同時(shí)還將會(huì)使限幅器的輸出信號(hào)的相位隨機(jī)擺動(dòng)。因此，需要在AD608前增加帶通濾波器以濾出干擾信號(hào)。中頻單元接收到的信號(hào)是基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制而得到的，并且基帶信號(hào)有一定頻帶寬度。為了保證檢波出的基帶信號(hào)在允許的失真范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的帶通濾波器必須要滿足一定帶寬。根據(jù)中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)要求，濾波器的中心頻率為30 MHz、帶寬為2 MHz、插入損耗為4 dB。這里是以歸一化的五階巴特沃思低通濾波器為原型，然后通過(guò)從低通到帶通的變換得到帶通濾波器，其電路如圖4所示。

2．3 對(duì)數(shù)放大電路
??? 由于對(duì)數(shù)放大器是直流耦合的，它具有大于100 dB的增益，在它的中頻輸入端即使存在幾個(gè)微伏的偏移也會(huì)使輸出飽和。因此，在使用AD608時(shí)采用低頻反饋回路(如圖5中的R4，C7，C8)來(lái)消除輸入端的偏移。在對(duì)數(shù)放大電路中，中頻信號(hào)從芯片的IFHI引腳輸入，限幅信號(hào)和檢波信號(hào)分別從LMOP和RSSI引腳輸出。由于對(duì)數(shù)放大器的檢波輸出電壓只有幾百毫伏，不能滿足后續(xù)處理電路的門(mén)限電壓要求，因此需要高帶寬增益積的運(yùn)算放大器對(duì)檢波出的信號(hào)做進(jìn)一步的放大。在此采用LM384作為對(duì)數(shù)放大電路的輸出級(jí)放大器。
??? 中頻輸入端的干擾信號(hào)、偏移反饋回路中不準(zhǔn)確的元件值都會(huì)對(duì)AD608的檢波動(dòng)態(tài)范圍造成影響。因此，在設(shè)計(jì)中頻接收機(jī)時(shí)要盡量提高對(duì)數(shù)放大器中頻輸入信號(hào)的信噪比，并且不斷改變偏移反饋回路中的元件值，從而使中頻接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

AD608的低通濾波器具有2 MHz的截止頻率，這比由于10．7 MHz的中頻而產(chǎn)生的21．4 MHz的紋波頻率低一個(gè)倍頻程。在工作于較低的中頻時(shí)，AD608需要外接一單極點(diǎn)90 kHz的低通濾波器，該頻率比這些中頻產(chǎn)生的900 kHz紋波頻率低一個(gè)倍頻程。而在-75～+5 dB的輸出范圍內(nèi)，其RSSI的測(cè)量精度為±1 dB。
??? 在典型的峰窩通信應(yīng)用中。AD608的RSSI輸出將由A／D轉(zhuǎn)換器予以數(shù)據(jù)化。AD608的RSSI輸出正比于電源電壓，這樣不僅使A／D轉(zhuǎn)換器可用電源作為參考，而且RSSI輸出和A／D轉(zhuǎn)換器的輸出均可跟蹤電源電壓的變化，從而降低系統(tǒng)的誤差和元件成本。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)數(shù)中頻接收機(jī)的輸入端是AM調(diào)制信號(hào)，其中調(diào)制度為40 %，載波頻率為30 MHz，調(diào)制信號(hào)為1 kHz的正弦信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)在-80～-10dBm的范圍內(nèi)，接收機(jī)能準(zhǔn)確檢波出AM信號(hào)的包絡(luò)，如圖6所示；當(dāng)信號(hào)是-83 dBm時(shí)，由于AD608的中頻輸入端有干擾信號(hào)，檢波輸出信號(hào)失真，并且頻率不穩(wěn)定，如圖7所示；當(dāng)信號(hào)是-8 dBm時(shí)，AD608的輸入端信號(hào)是+7 dBm已經(jīng)達(dá)到飽和，所以檢波信號(hào)的波峰被削平，如圖8所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，增大中頻接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍關(guān)鍵要抑制干擾信號(hào)，提高輸人端的信噪比。

4 結(jié) 語(yǔ)
??? 通過(guò)對(duì)中頻接收機(jī)進(jìn)行調(diào)試及測(cè)量。它在±1 dB的線性度下的信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)范圍達(dá)到70 dB，基本滿足設(shè)計(jì)要求。由于該設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)中頻接收機(jī)的檢波動(dòng)態(tài)范圍大并且工作性能穩(wěn)定，已成功應(yīng)用于某檢測(cè)系統(tǒng)。在使用AD608時(shí)要恰當(dāng)處理常見(jiàn)問(wèn)題，比如在偏移反饋回路中使用不正確的元件值、比較差的印制板布局、以及存在射頻干擾等，這些都會(huì)使得AD608在低端(低于-65 dBm)時(shí)失去RSSI測(cè)量能力，而使得限幅器隨機(jī)擺動(dòng)。比較差的印制板布局設(shè)計(jì)和不恰當(dāng)?shù)钠品答伝芈范紩?huì)造成低頻振蕩；而不恰當(dāng)?shù)牟季衷O(shè)計(jì)和屏蔽會(huì)產(chǎn)生射頻干擾。