射频基础—接收机的动态范围及AGC范围设计

1.电源处理电源处理是射频设计的第一道功课，电源处理不当，有源射频电路将前功尽弃。同接收机一样，浪涌、噪声、DC-DC纹波、共模干扰都不可忽视，由于发射机是大信号，处理难度小于接收机。2.输出功率功放管在整个频率范围内的额定输出功率，考虑到最大输出功率与功放管结温紧密相关，应该有2dB以上的功率余量，如果是非恒包络调制，会存在峰均比，功放的非线性还会恶化ACLR，所以实际的功放输出功率应该在饱和输出功率的基础上再回退若干dB。功放管的输入、输出阻抗随频率变化，使得输出功率一样随频率起伏，为了使输出功率稳定，必须进行闭环控制，最佳闭环控制采用数字APC的方法，通过前向检波，检测输出功率的偏差量，再通过数字衰减，调整激励功率，是输出功率稳定。工作频率越宽，功放的输入、输出匹配网络越复杂，通过多级匹配展宽功放管的工作带宽，只有功放管的输入、输出处于良好的匹配状态，功放管的输出功率才能达到最大，效率才会最低。三阶互调也与匹配网络密切相关，功放管有两种匹配准则：按最佳互调和按最大输出功率，这两种匹配可能不会吻合，需要折中。匹配网络同时也是一种滤波器，滤波器的传递函数有个随频率变化的相位因子，可以改变不同频率失真分量的相位，如果相位相反，则部分互调失真抵消，这就是最佳互调匹配。 3.输出效率效率关系到功耗，手持式采用电池供电，效率影响到电池的持续工作时间。从另一个层面，效率还影响到无用功耗，这部分功耗等于自身发热，使器件温度升高。通常说的输出效率将输出功率与电源功耗相比：η=Pout/PDC×100%，另一个概念是附加效率PAE（Power-Add Efficiency），输出功率扣除了输入功率，是功放的净输出功率，是对效率更准确的描述，PAE=(Pout-Pin)/Pdc×100%。4.稳定性有两种稳定状态：条件稳定和无条件稳定，考虑到功放的工作频率范围宽，温度适应范围从-45~+85℃，条件稳定有潜在的自激危险，必须将功放设计成无条件稳定，即应通过反馈、偏置、匹配将功放牵引到稳定圆内。5 关键指标5.1 收发隔离度收发隔离是对收发双工器的要求，当发射的时候，会通过双工器泄露到接收机前端，造成LNA饱和或损坏。设计多大的隔离度合适，一般原则是使射频AGC不起控，避免发射转接收后，因AGC时间常数（检波器输出）较大，射频前端来不及响应，一般TDMA双工器可以做到50dB以上。5.2 宽带噪声单纯功放输出的宽带噪声一般不大，当发射机激励功放后，功放输出的宽带噪声会显著增大，为不影响附近工作的其它设备接收机，这个宽带噪声必须限制，通常要求地面设备近端低于-110dBc/Hz，偏离10%fo以远宽带噪声低于-130dBc/H，特殊频段甚至要求更低。 要达到这个指标，除了要限制接收机的输出宽带噪声外，功放本身也需要优化设计。一般功放的总增益应该限制在30dB以下，功放的推动级输出端应该采用调谐滤波器或滤波器组。这样方有可能将输出近端宽带噪声限制在-110dBc/Hz以下。5.3 谐波抑制功放具有非线性，输出必然含有谐波，谐波属于无用发射，会干扰附近其它设备接收机的工作，可以当作杂散看待。一般要求手持式谐波低于-50dBc，车载式、机载式谐波低于-70dBc。为降低谐波水平，功放输出端必须级联滤波器，由于带通滤波器的插损太大，一般采用低通滤波器，对于宽频带功放，fH/fL>1，谐波落在工作频段内，所以需要低通滤波器组。A类放大器在P1dB附近的2次谐波大约是-20~-25dBc，饱和输出时谐波更大。AB类放大器由2个A类放大器组成，输入、输出端均有反相巴伦，功放输出的偶数次谐波同相，经过后面的反相巴伦合成后，偶次谐波抵消。如果2个放大器的幅度平衡、相位平衡较好，2次谐波大约-30~-40dBc。相比之下采用AB类放大器，谐波抑制具有优势。经过推挽放大和不平衡-平衡转化，谐波抑制可以提高，因此可以通过功率合成的办法，提高谐波抑制。当fH/fL>>1，比如30~512MHz，频率覆盖达17倍，如果用滤波器来抑制谐波，至少需要含6个滤波器的滤波器组，结构十分复杂，插入损耗也不可小视，如果采用功率合成的方法（涉及到各支路幅度问题），难度会小很多。 5.4 三阶互调（或ACLR）功放是发射机的链路延伸，与发射机一样，三阶互调会影响ACLR，使EVM恶化，由于功放的输出功率更大，功率回退较小，非线性更加严重。三阶互调指标主要用于衡量多信道、多载波时，互调分量对系统的干扰程度，任何2个信道都会产生2个三阶互调产物，干扰上、下2个等间隔信道。5.5 EVMEVM是接收机解调的保证，EVM恶化太多，会损失解调信噪比，对于恒包络调制，通常功放的EVM<5%，非恒包络调制，为降低ACLR，功放输出功率必须回退几dB，EVM通常较好，<3%。5.6 输出驻波比功放的输出驻波比与激励功率有关，当激励为0与满负荷激励时，驻波比相差较大，不能用矢量网络分析仪来测量，应该用通过式功率计进行测量，驻波比一般小于1.5。5.7 输出开短路保护当功放输出负载开路或短路，输出功率全反射回功放管，与功放管输出电压叠加，使功放管漏极电压加倍或等效短路，可能损坏功放管。为防止功放管损坏，通常降低激励，使输出下降3~10dB，保护功放管，当负载开短路恢复正常后，逐步恢复原激励功率。5.8 负载适应性天线不是纯阻负载，宽带天线的阻抗变化很大，通信系统要求天线的驻波比不大于2.0。当驻波比等于1时，阻抗匹配，输出功率最大；当驻波比为2.0时，阻抗失配，功放的输出功率下降。通常，当采用驻波比为2.0的假负载时，功放输出功率下降值应不大于1dB。 5.9 电源适应性不管是电池供电还是外接直流电源供电，电源电压并非一直保持恒定，当电源电压升高、或下降时，功放输出功率可能会发生变化，特别是恒包络调制，功放工作在饱和状态，电源电压变高，饱和输出功率变大，电源电压变低，饱和输出功率变小。当电源电压在极限电压范围内变化时，功放的输出功率变化不应该超出2dB。除此之外，采用非恒包络调制的波形，EVM还必须达标。5.10 温度稳定性当工作温度从最低到最高变化时，手持-25~+60℃，车载-45~+85℃，机载-55~+70℃，功放的输出功率变化不大于±1dB，过温可以进行热保护，允许输出功率降低3dB。5.11输出功率波动在全温范围内、全频率范围内、标准输出阻抗，功放的输出功率应该保持稳定，输出功率变化不大于±1dB。5.2.1功耗（效率）功耗与效率紧密相关，窄带功放的输出效率几乎等于最大输出效率，为了扩展带宽，宽带功放几乎处于匹配状态，效率大大下降，如何提高输出效率与如何展宽功放的带宽都是功放设计的最大难题。5.12待机功耗 对于TDMA体制工作的设备，当处于接收状态时，功放应该关闭，防止功放输出噪声干扰接收。由于功放断电/上电时间达ms级，为适应设备收发转换us级的需要，功放不能完全断电，功放管只能处于待机状态，加漏压，只关闭栅压。这样流经功放管漏极的电流几乎为零，起到降低功耗的目的，而且上电很快。除了末级功放管外，推动级放大器也一样需要待机，进一步降低功耗，降低噪声。5.13收发转换时间功放的收发转换时间不是双工器的T/R开关转换时间，而是从功放的栅极打开开始，到输出功率上升到90%的时间（保持激励），同样从功放的栅极关闭开始，到输出功率下降到10%的时间（保持激励）是发收转换时间。5.14杂散功放本身应该不存在杂散问题，当功放的电源部分设计不良，出现内部浪涌或较大的纹波，电源可能会影响功放，产生电源杂散、开关杂散，5.15稳定性功放工作期间，或收发转换期间，功放不应出现自激、瞬时指标异常、短时输出功率变化太大，等不稳定现象。5.16 温度指示功放管的管芯温度最高，必须通过温度传感器实时采集功放管的壳温，由处理器判断是否过温，是否要进行过温保护。5.17正向、反相功率指示 正向、反相功率检测用于功率闭环控制，稳定输出功率。反相功率除以正向功率就是驻波比，处理器可以由此判断功放负载是否异常。5.18 峰值电流电源的最大负载能力是有限的，最大工作电流不能超过电源最大电流值，开机冲击电流会产生开机浪涌，也不能太大。5.20 电源功放的电源必须经过相应处理，退耦、滤波、抑制浪涌，提高电磁兼容能力。滤波电容越大，电源越平滑，但开机冲击电流也越大，单个滤波电容的ESR较大，频繁的充放电使电容发热，多个电容并联，使ESR成倍降低，发热大大减小，延长了电容的使用寿命。功放是设备功耗最大的部件，电源的充放电、浪涌容易引起电源欠阻尼振荡，需要大功率电阻增大阻尼，抑制振荡。通常将大功率电阻与磁芯电感并联，对于直流，电阻被电感短路，不产生压降，对于交流，电阻被接入，吸收振荡。电源处理设备采用突发通信，发、收工作比不高，电源电流也是脉冲，如果采用电容存储的方法，平滑电流，将大大降低输入峰值电流，类似于脉冲功放。这种脉冲电源储能电容不能直接并联在电源线上，需要单独设计电流源充电，限制充电电流。6 布局 功放的电源电流很大，电压较高，极易干扰小信号射频和低频电路，原则上功放按照信号流向布局，推动级与末级输出采用空间隔离，防止自激。电源输入口应该在末级功放管一侧，所有小信号、控制电流电路应该远离总电源滤波、退耦，远离末级放大器。采用金属壳屏蔽的功放结构，应该实现仿真、计算腔体的谐振频率，谐振频率必须大于最高工作频率的2倍以上，以留出足够的安全余量。整机综合因素6.1时钟军用通信设备通常工作于很宽的射频频段，射频低端频率较低，时钟的谐波极易落入工作频段内，成为无法避开的干扰。如何处理时钟问题，有一些基本的处理方法和原则。6.1.1时钟输出波形通常，晶体振荡器直接输出的都是切顶正弦，谐波十分丰富，可以通过低通滤波器将切顶正弦（准方波）过滤成正弦。为降低谐波干扰，宽带设备使用的频率参考源采用正弦波形，并通过BPF或LPF抑制时钟谐波，使谐波低于-40dBc（切顶正弦的谐波更高），即便在这种情况下，时钟的高次谐波泄漏到射频通道仍然可以达到-80~-100dBm，远高于接收灵敏度，使谐波频率点不能正常使用。由于晶振电路本身也会泄漏高次谐波，当后级滤波器对谐波的抑制达到一定程度，再增大抑制就几乎没什么改善。另外，由于阻抗失配、电路寄生参数的影响，方波容易产生过冲和振铃，使时钟的过零点产生偏移，恶化相位噪声。相反，正弦波不存在过冲和振铃问题，所以正弦波的相位噪声好于方波。这个结论在电路噪声较小的情况下成立，当电路噪声较大，叠加在正弦电压上，同样会引起过零点的偏移，而方波的偏移量就明显小于正弦波。由于数字单元的脉冲噪声很大，而射频单元的噪声相对较小，故将时钟放在射频部分是一种更合理的做法。 窄带通信为降低电路复杂度、降低成本，时钟通常采用方波。6.1.2多时钟同步如果使用多时钟，原则上各时钟应该同源，即保持同步。不同于雷达，通信设备各时钟之间不一定有很严格的相位关系，故有的设备多时钟之间是异步的。需要注意的是，时钟越多，谐波频点也越多，干扰也就越严重。6.1.3时钟分配设备需要很多路时钟，ADC、DAC、FPGA、ARM、DSP、PLL等，原则上时钟由射频部分产生，射频部分有几路本振就应有几路时钟，对数字基带部分可给出1~2路时钟，ADC和DAC最重要，应优先使用。如果晶振的输出电平较低，应先放大后分配。有另一种做法，由数字基带部分产生时钟，在FPGA里将时钟分作多路，共各部分使用，由于FPGA是数字器件，干扰严重，相位抖动也很大，用这种简单方法得到的时钟，基本指标会较。6.2功耗功耗在整个设备设计过程中都不可轻视，是需求严格限制的技术要求，功耗大还会产生过多热量，使设备温度升高，方案阶段必须优先选择电路简单、功耗低的方案，器件选型也必须优先选择功耗的器件。 功放是设备的发热大户，功放的结构、末级功放管的安装位置影响到散热效果，需要通过有限元热仿真来确定最佳方案。设备对热最敏感的单元、模块应远离功放的安装位置。6.3机内自检BIT机内自检BIT（Built-in Test）是GJB要求的功能，完成六性规定的可测性，同时也辅助维修性对故障部位的判断。机内自检分为开机自检、周期自检、按需自检。自检应完成对链路所有单元的检测，故障隔离到模块。为此，每块PCB、每个功能单元的输入输出均需要检测，PLL的锁定指示需要检测，电源是否正常需要检测。自检需要激励源，发射机自身可以产生调制射频信号，接收机需要增加辅助信号源，可以用晶振的谐波或者FPGA输出方波的谐波，通过检测输入、输出功率可以大致判断模块链路是否正常，若将发射机与接收机变环，接收机分析解调数据，计算EVM，可得出链路是否正常，发射、接收信号质量是否正常，间接知道本振是否锁定。自检常用方法1)开机自检：开机上电后，程序加载完成，进入自检模式，处理器采集所有功能模块的状态，异常者以故障标示，并上报。2)周期自检：处理器定时切换电路功能，进入自检模式，采集所有功能模块的状态，异常者以故障标示，并上报。 3)按需自检：当用户或上位机下达单元自检命令后，处理器完成当前工作，切换电路功能，进入自检模式，处理器采集所有功能模块的状态，异常者以故障标示，并上报。6.4电磁兼容电磁兼容包含两个方面：EMI和EMS。EMI包含传导CE（Conducted Emission）和辐射RE（Radiated Emission）。CE的频谱范围25Hz~40GHz，RE的频谱范围25Hz~40GHz。EMS包含CS传导敏感度和RS辐射敏感度，CS：ESD，快速脉冲群，浪涌，注入电流，电源跌落；RS：强辐射电磁场。 来源：射频通信链