CN102684716A - 30～3000MHz超短波接收机 - Google Patents

30～3000MHz超短波接收机 Download PDF

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宁涛
王文林
张涛
马剑青
王兴斌
吴伟冬
马刚
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Abstract

本发明公开了一种30～3000MHz超短波接收机，由信道单元、第一本振单元、第二本振单元和第三本振单元组成，第一本振单元的本振信号输出与一中混频器的输入连接，第二本振单元的本振信号输出与二中混频器的输入相连，第三本振单元的本振信号输出连接三中混频器的输入。本发明能够稳定接收30～3000MHz的超短波信号，在70MHz的中频上输出，中频的幅度能在要求的范围内稳定输出，在五个接收机同时工作的情况下，最大频率覆盖范围能达到100MHz，在超短波频段能够进行自校准；具有信号检测能力强，误码率低、信号失真情况较少，信噪比高、杂散抑制效果好、抗干扰能力强，超短波通信效果好，结构简单，成本低等特点。

Description

30～3000MHz超短波接收机
技术领域
本发明涉及一种30～3000MHz超短波接收机。
背景技术
超短波的波长在1～10米之间，又称米波，其传播稳定性比短波好，受季节和昼夜变化的影响小，频率较高，频带较宽，能用于多路通信，调制方式通常采用调频制，信噪比较高，通信质量比短波好；目前，超短波通信技术广泛应用于传送电视、调频广播、雷达、导航和移动通信等业务领域。超短波通信***由终端站和中继站组成，终端站设有发射机、接收机、载波终端机和天线，中继站设有通达两个方向的发射机和接收机以及相应天线，接收机是超短波通信***的重要组成部分。
现代通用接收机在设计过程中越来越趋向高性能、高集成度的方向，在性能上要求接收机的高线性、大动态范围、高灵敏度和高分辨率，这就要求尽可能地提高接收机的线性度和抗干扰能力，减小其信号失真和误码率。
然而，现有的超短波接收机普遍存在线性度低、动态范围不足，信号检测能力差，误码率高、信号失真情况严重，抗干扰能力较差，相位噪声高、杂散抑制效果差、超短波通信效果差，结构复杂，成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种信噪比高、杂散抑制效果好、抗干扰能力强的低成本30～3000MHz超短波接收机。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：30～3000MHz超短波接收机，包括机壳和内部机芯电路，所述的机芯电路由信道单元、第一本振单元、第二本振单元和第三本振单元组成，信道单元包括顺次连接的用于限定输入信号波幅的限幅器，用于调整输入信号幅度的射频动态调整模块，用于将信号分段和抑制镜频信号的预选器，用于放大信号幅度的低噪声放大器，用于滤除镜频信号的低通滤波器LPF1，用于混频产生第一中频信号的一中混频器，用于第一中频信号滤波、放大的一中滤波器及一中放大器，用于混频产生第二中频信号的二中混频器，用于第二中频信号滤波、放大和幅度调整衰减的二中滤波器、二中放大器及二中衰减器，用于混频产生第三中频信号的三中混频器，用于第三中频信号滤波、衰减的三中滤波器及三中衰减器，用于放大信号功率的功率放大器和用于滤除高频信号的低通滤波器LPF2；第一本振单元的本振信号输出与一中混频器的输入连接，第二本振单元的本振信号输出与二中混频器的输入相连，第三本振单元的本振信号输出连接三中混频器的输入。
本发明还包括至少一个自校单元，自校单元包括放大器LNA2·1、低通滤波器LPF2·1和一分六功分器2·1，一分六功分器2·1的一路输出依次通过放大器LNA2·2和带VCO的锁相环芯片与数控衰减器的输入连接；另五路输出分别与低通滤波器LPF2·2连接。
本发明所述的射频动态调整模块由衰减器和放大器组成，衰减器和放大器分别通过一选二开关K4·1与限幅器的输出相连。
本发明所述的第一本振单元由放大器LNA4·1、主锁相环、辅锁相环、混频器4·1、放大器LNA4·2和功分器4·1组成，所述的主锁相环包括顺次连接的鉴相器PD4·1、有源低通滤波器LPF4·1和压控振荡器VCO4·1，辅锁相环包括顺次连接的鉴相器PD4·2、低通滤波器LPF4·2和压控振荡器VCO4·2；放大器LNA4·1的输入连接标准信号源，其一路输出通过低通滤波器LPF4·3与主锁相环的鉴相器PD4·1的输入相连，主锁相环的压控振荡器VCO4·1的一路输出通过放大器LNA4·2与功分器4·1的输入连接，压控振荡器VCO4·1的另一路输出通过至少一个放大器LNA4·3与混频器4·1的L端相连；放大器LNA4·1的另一路输出通过低通滤波器LPF4·4与辅锁相环的鉴相器PD4·2的输入相连，辅锁相环的压控振荡器VCO4·2的一路输出通过放大器LNA4·4与混频器的I端相连，压控振荡器VCO4·2的另一路输出通过高通滤波器HPF4·1连接鉴相器PD4·2；混频器的R端与一选二开关K4·1的输入连接，一选二开关K4·1的两个输出分别与低通滤波器LPF4·5及低通滤波器LPF4·6的输入连接，低通滤波器LPF4·5及低通滤波器LPF4·6的输出分别与一选二开关K4·2的两个输入相连，一选二开关K4·2的输出通过放大器LNA4·5与鉴相器PD4·1的输入相连。
本发明所述的第二本振单元由低通滤波器LPF5·1、锁相环、放大器LNA5·1、低通滤波器LPF5·2和功分器5·1组成，锁相环包括顺次连接的鉴相器PD5·1、低通滤波器LPF5·3和压控振荡器VCO5·1；低通滤波器LPF5·1的输入连接标准信号源，其输出与鉴相器PD5·1的信号源输入端相连，鉴相器PD5·1的电压输出通过低通滤波器LPF5·3与压控振荡器VCO5·1的控制电压输入端连接，压控振荡器VCO5·1的一路输出依次通过放大器LNA5·1和低通滤波器LPF5·2与功分器5·1的输入连接，压控振荡器VCO5·1的另一路输出与高通滤波器HPF5·1的输入连接，高通滤波器HPF5·1的输出与鉴相器PD5·1的本振信号输入端相连。
本发明所述的第三本振单元由顺次连接的带通滤波器BPF6·1、频率合成器DDS、带通滤波器BPF6·2、放大器LNA6·1、鉴相器PD6·1、无源低通滤波器LPF6·1、压控振荡器VCO6·1、放大器LNA6·2和一分五功分器6·1组成，它还包括高通滤波器HPF6·1，高通滤波器HPF6·1的输入与压控振荡器VCO6·1连接，其输出与鉴相器PD6·1的本振信号输入端相连。
本发明的有益效果是：本发明能够稳定接收30～3000MHz的超短波信号，信号通过多次变频，在70MHz的中频上输出，中频的幅度能在要求的范围内稳定输出，在五个接收机同时工作的情况下，最大频率覆盖范围能达到100MHz，接收机的本振能够达到·110dBc/Hz10KHz，在超短波频段能够进行自校准；本超短波接收机具有线性度高、动态范围较宽，信号检测能力强，误码率低、信号失真情况较少，信噪比高、杂散抑制效果好、抗干扰能力强，超短波通信效果好，结构简单，成本低等特点。 
附图说明
图1为本发明信道单元电路原理框图；
图2为本发明自校单元电路原理框图；
图3为本发明第一本振单元电路原理框图；
图4为本发明第二本振单元电路原理框图；
图5为本发明第三本振单元电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：30～3000MHz超短波接收机，包括机壳和内部机芯电路，如图1所示，机芯电路由信道单元、第一本振单元、第二本振单元和第三本振单元组成，信道单元包括顺次连接的用于限定输入信号波幅的限幅器，用于调整输入信号幅度的射频动态调整模块，用于将信号分段和抑制镜频信号的预选器，用于放大信号幅度的低噪声放大器，用于滤除镜频信号的低通滤波器LPF1，用于混频产生第一中频信号的一中混频器，用于第一中频信号滤波、放大的一中滤波器及一中放大器，用于混频产生第二中频信号的二中混频器，用于第二中频信号滤波、放大和幅度调整衰减的二中滤波器、二中放大器及二中衰减器，用于混频产生第三中频信号的三中混频器，用于第三中频信号滤波、衰减的三中滤波器及三中衰减器，用于放大信号功率的功率放大器和用于滤除高频信号的低通滤波器LPF2；其中，射频动态调整模块由衰减器和放大器组成，衰减器和放大器分别通过一选二开关K4·1与限幅器的输出相连。第一本振单元的本振信号输出与一中混频器的输入连接，第二本振单元的本振信号输出与二中混频器的输入相连，第三本振单元的本振信号输出连接三中混频器的输入。
如图2所示，超短波接收机还包括至少一个自校单元，自校单元包括放大器LNA2·1（ERA-5SM芯片）、低通滤波器LPF2·1和一分六功分器2·1，一分六功分器2·1的一路输出依次通过放大器LNA2·2（ERA-3SM芯片）和带VCO的锁相环芯片HMC830与数控衰减器PE4309的输入连接；另五路输出分别与低通滤波器LPF2·2连接。
自校单元的相位噪声及杂散分析：晶振的相位噪声对***相位噪声起直接作用，根据1本相位噪声分析，100M鉴相时HMC704的鉴相器底噪=-233+10logFpd=-233+10Log100000000=-153dBc/Hz10k，锁定5.3G时，理想相位噪声=鉴相器底噪+3+20logfout/fpd =-153+3+20Log53=-115.5dBc/Hz10k，因输出7G时VCO的调谐电压需达14V，所以环路滤波采用有源滤波器，相位噪声会恶化3dB左右，所以在主环锁定5.3G时相位噪声≤-113dBc/Hz10k，因此若要输出6985时相位噪声达到≤-110dBc/Hz10k，晶振相位噪声至少应＜-150dBc/Hz10k，经实测HMC830杂散最差处杂散为-46dBc，满足要求。
自校单元的输出幅度：自校源部分 HMC830输出功率≥0dBm，后接一固定衰减器，使PE4309不衰减时输出功率为-10dBm，PE4309衰减10dB时，输出-20dBm， PE4309衰减20dB时，输出-30dBm， PE4309衰减30dB时，输出-40dBm。参考源部分：晶振经放大后输出功率可达17dBm，而后面滤波器、功分器、滤波器加起来的损耗＜11dB，所以满足≥5dBm。
如图3所示，第一本振单元由放大器LNA4·1、主锁相环、辅锁相环、混频器4·1、放大器LNA4·2和功分器4·1组成，所述的主锁相环包括顺次连接的鉴相器PD4·1、有源低通滤波器LPF4·1和压控振荡器VCO4·1，辅锁相环包括顺次连接的鉴相器PD4·2、低通滤波器LPF4·2和压控振荡器VCO4·2；放大器LNA4·1的输入连接标准信号源，其一路输出通过低通滤波器LPF4·3与主锁相环的鉴相器PD4·1的输入相连，主锁相环的压控振荡器VCO4·1的一路输出通过放大器LNA4·2与功分器4·1的输入连接，压控振荡器VCO4·1的另一路输出通过至少一个放大器LNA4·3与混频器4·1的L端相连；放大器LNA4·1的另一路输出通过低通滤波器LPF4·4与辅锁相环的鉴相器PD4·2的输入相连，辅锁相环的压控振荡器VCO4·2的一路输出通过放大器LNA4·4与混频器的I端相连，压控振荡器VCO4·2的另一路输出通过高通滤波器HPF4·1连接鉴相器PD4·2；混频器的R端与一选二开关K4·1的输入连接，一选二开关K4·1的两个输出分别与低通滤波器LPF4·5及低通滤波器LPF4·6的输入连接，低通滤波器LPF4·5及低通滤波器LPF4·6的输出分别与一选二开关K4·2的两个输入相连，一选二开关K4·2的输出通过放大器LNA4·5与鉴相器PD4·1的输入相连。
第一本振单元的相位噪声分析：对主环而言，使用高性能芯片HMC704，鉴相频率为100M，0.5M左右的环路能对鉴相器带来的整数边带杂散起到良好的抑制，＞75dBc，并抑制VCO近端的噪声，鉴相频率100M时，鉴相器底噪=-233+10logFpd=-233+10Log100000000=-153dBc/Hz10k， -233是最理想的情况 实际运用上不会满足它的最佳条件会恶化一些，恶化量按3dB来估算，若100M外部参考信号的相位噪声优于底噪≤-150dBc/Hz10k，锁定5.3G时，理想相位噪声=鉴相器底噪+3+20logfout/fpd =-153+3+20Log53=-115.5dBc/Hz10k，因输出7G时VCO的调谐电压需达14V，所以环路滤波采用有源滤波器，相位噪声会恶化3dB左右，所以在主环锁定5.3G时相位噪声≤-113dBc/Hz10k，辅环输出频率1.6G-1.7G带宽为100M，对辅环而言，采用HMC704整数分频模式鉴相，鉴相频率为5M，HMC704底噪=-233+10logFpd =-233+10log5000000=-166dB c/Hz10k，输出1.7G时，相位噪声=底噪+20logfout/fpd=-166+20log340=-115 dBc/Hz10k，VCO使用UMC公司的UMV-1650-R16，其典型相位噪声为-108dBc/Hz10kHz， 100k左右的环路带宽对噪声性能和杂散是合适的，所以当最终输出在6985M时，主环锁5300M，辅环输出1685M，由于混频器的相位噪声取差得一个，所以6985M时的相位噪声≤-113dBc/Hz10k时理论上是可行的。
第一本振单元的杂散分析：对频率源杂散主要来源于：晶振的谐波辐射，鉴相频率的泄露，及整数边带来的杂散，时钟串扰杂散，所以针对以上来源采取以下措施来保证杂散指标，对参考频率进行滤波，减小谐波辐射，环路滤波器取适中的带宽来兼顾对VCO近端相噪的抑制和对小数分频杂散抑制以及跳频时间的要求，关键的有源器件如鉴相器，VCO用单独的噪声性能和PSRR优良的LDO供电，每个有源器件电源上做好滤波，减小纹波和信号的串扰。反馈回路上采用电阻耦合，以及加一个放大器反向隔离，减小鉴相器里产生的信号通过反馈回路到VCO的调制。在PCB布局时做好隔离，减少信号的空间辐射。做到杂散≤-70dBc。
如图4所示，第二本振单元由低通滤波器LPF5·1、锁相环、放大器LNA5·1、低通滤波器LPF5·2和功分器5·1组成，锁相环包括顺次连接的鉴相器PD5·1、低通滤波器LPF5·3和压控振荡器VCO5·1；低通滤波器LPF5·1的输入连接标准信号源，其输出与鉴相器PD5·1的信号源输入端相连，鉴相器PD5·1的电压输出通过低通滤波器LPF5·3与压控振荡器VCO5·1的控制电压输入端连接，压控振荡器VCO5·1的一路输出依次通过放大器LNA5·1和低通滤波器LPF5·2与功分器5·1的输入连接，压控振荡器VCO5·1的另一路输出与高通滤波器HPF5·1的输入连接，高通滤波器HPF5·1的输出与鉴相器PD5·1的本振信号输入端相连。
第二本振单元的相位噪声及杂散分析：HMC704采用整数模式，10M鉴相时，底噪=-233+10Logfpd=-233+70=-163 dBc/Hz10kHz，实际运用按恶化3dB算。若参考源相噪声比芯片好，则噪声上限由芯片决定，输出3550M时，倍频次数为355倍，所以输出3550时相位噪声=-160+20logn=-160+20log355 =-109 dBc/Hz10kHz，因采用10M鉴相，PLL的整数编带杂散点出现在离环路带宽很远的地方，所以可以滤的很干净，杂散可轻松做到≤-75dBc。
如图5所示，第三本振单元由顺次连接的带通滤波器BPF6·1、频率合成器DDS、带通滤波器BPF6·2、放大器LNA6·1、鉴相器PD6·1、无源低通滤波器LPF6·1、压控振荡器VCO6·1、放大器LNA6·2和一分五功分器6·1组成，它还包括高通滤波器HPF6·1，高通滤波器HPF6·1的输入与压控振荡器VCO6·1连接，其输出与鉴相器PD6·1的本振信号输入端相连。
第三本振单元的相位噪声及杂散分析：若参考源相位噪声较好，AD9910输出80M时相位噪声可达-140dBc/Hz1kHz，经锁相环5倍频后，恶化20Log5=14，所以理论上在375M时，相位噪声=-126dBc/Hz1kHz，远高于我们的要求，杂散方面由于选择频率时做了考虑，DDS输出的杂散点都落在滤波器带外，离输出带通滤波器最近的点是输出频率的6倍和参考信号混出的点=6*（71～75）-1*400=（26～50M），这个可用带通滤波器滤的很干净，根据AD9910手册，输出71M～75M时近端杂散为-87dBc，5倍频恶化14dB后，最差也有-73dBc，满足要求，而由锁相环产生出现在鉴相频率处的整数编带杂散出现在鉴相频率处更是远离环路带宽，可滤除的相当干净。
第三本振单元的输出幅度：VCO输出幅度典型值为+6dBm，经电阻功分后输入到放大器功率为0dBm，放大器输出可达12dBm，经1分5功分后损耗8dB，输入到末级放大器的功率为4dBm，末级放大器增益为20dB，P_1=17dBm， 滤波器插损＜1.5dB，可见每路输出功率满足要求。

Claims (6)

1.30～3000MHz超短波接收机，包括机壳和内部机芯电路，其特征在于：所述的机芯电路由信道单元、第一本振单元、第二本振单元和第三本振单元组成，
信道单元包括顺次连接的用于限定输入信号波幅的限幅器，用于调整输入信号幅度的射频动态调整模块，用于将信号分段和抑制镜频信号的预选器，用于放大信号幅度的低噪声放大器，用于滤除镜频信号的低通滤波器LPF1，用于混频产生第一中频信号的一中混频器，用于第一中频信号滤波、放大的一中滤波器及一中放大器，用于混频产生第二中频信号的二中混频器，用于第二中频信号滤波、放大和幅度调整衰减的二中滤波器、二中放大器及二中衰减器，用于混频产生第三中频信号的三中混频器，用于第三中频信号滤波、衰减的三中滤波器及三中衰减器，用于放大信号功率的功率放大器和用于滤除高频信号的低通滤波器LPF2；
 第一本振单元的本振信号输出与一中混频器的输入连接，第二本振单元的本振信号输出与二中混频器的输入相连，第三本振单元的本振信号输出连接三中混频器的输入。
2.根据权利要求1所述的30～3000MHz超短波接收机，其特征在于：它还包括至少一个自校单元，自校单元包括放大器LNA2·1、低通滤波器LPF2·1和一分六功分器2·1，一分六功分器2·1的一路输出依次通过放大器LNA2·2和带VCO的锁相环芯片与数控衰减器的输入连接；另五路输出分别与低通滤波器LPF2·2连接。
3.根据权利要求1所述的30～3000MHz超短波接收机，其特征在于：所述的射频动态调整模块由衰减器和放大器组成，衰减器和放大器分别通过一选二开关K4·1与限幅器的输出相连。
4.根据权利要求1所述的30～3000MHz超短波接收机，其特征在于：所述的第一本振单元由放大器LNA4·1、主锁相环、辅锁相环、混频器4·1、放大器LNA4·2和功分器4·1组成，所述的主锁相环包括顺次连接的鉴相器PD4·1、有源低通滤波器LPF4·1和压控振荡器VCO4·1，辅锁相环包括顺次连接的鉴相器PD4·2、低通滤波器LPF4·2和压控振荡器VCO4·2；放大器LNA4·1的输入连接标准信号源，其一路输出通过低通滤波器LPF4·3与主锁相环的鉴相器PD4·1的输入相连，主锁相环的压控振荡器VCO4·1的一路输出通过放大器LNA4·2与功分器4·1的输入连接，压控振荡器VCO4·1的另一路输出通过至少一个放大器LNA4·3与混频器4·1的L端相连；放大器LNA4·1的另一路输出通过低通滤波器LPF4·4与辅锁相环的鉴相器PD4·2的输入相连，辅锁相环的压控振荡器VCO4·2的一路输出通过放大器LNA4·4与混频器的I端相连，压控振荡器VCO4·2的另一路输出通过高通滤波器HPF4·1连接鉴相器PD4·2；混频器的R端与一选二开关K4·1的输入连接，一选二开关K4·1的两个输出分别与低通滤波器LPF4·5及低通滤波器LPF4·6的输入连接，低通滤波器LPF4·5及低通滤波器LPF4·6的输出分别与一选二开关K4·2的两个输入相连，一选二开关K4·2的输出通过放大器LNA4·5与鉴相器PD4·1的输入相连。
5.根据权利要求1所述的30～3000MHz超短波接收机，其特征在于：所述的第二本振单元由低通滤波器LPF5·1、锁相环、放大器LNA5·1、低通滤波器LPF5·2和功分器5·1组成，锁相环包括顺次连接的鉴相器PD5·1、低通滤波器LPF5·3和压控振荡器VCO5·1；低通滤波器LPF5·1的输入连接标准信号源，其输出与鉴相器PD5·1的信号源输入端相连，鉴相器PD5·1的电压输出通过低通滤波器LPF5·3与压控振荡器VCO5·1的控制电压输入端连接，压控振荡器VCO5·1的一路输出依次通过放大器LNA5·1和低通滤波器LPF5·2与功分器5·1的输入连接，压控振荡器VCO5·1的另一路输出与高通滤波器HPF5·1的输入连接，高通滤波器HPF5·1的输出与鉴相器PD5·1的本振信号输入端相连。
6.根据权利要求1所述的30～3000MHz超短波接收机，其特征在于：所述的第三本振单元由顺次连接的带通滤波器BPF6·1、频率合成器DDS、带通滤波器BPF6·2、放大器LNA6·1、鉴相器PD6·1、无源低通滤波器LPF6·1、压控振荡器VCO6·1、放大器LNA6·2和一分五功分器6·1组成，它还包括高通滤波器HPF6·1，高通滤波器HPF6·1的输入与压控振荡器VCO6·1连接，其输出与鉴相器PD6·1的本振信号输入端相连。
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