基于AD608芯片的對數(shù)中頻低功耗接收機(jī)設(shè)計

?在移動通信系統(tǒng)中，由于信號傳輸過程存在多徑衰落和傳輸衰減等因數(shù)，使得系統(tǒng)中的移動終端接收信號的動態(tài)范圍較大。而且當(dāng)移動終端距離基站較近時，由于當(dāng)輸入端信號過強(qiáng)或伴有較大的干擾電壓輸入時，會出現(xiàn)“過載”現(xiàn)象。為了解決此問題，需要將較寬輸入動態(tài)范圍壓縮成較窄的輸出動態(tài)范圍，并保留輸入信號的幅度、頻率和相位信息，常采用的方法是自動增益控制電路(Automatically GainControlled)和對數(shù)放大器(Logarithmic Amplifier)。由于對數(shù)放大器的動態(tài)范圍比AGC電路動態(tài)范圍寬，而且對數(shù)放大器的輸出信號失真較小，可以準(zhǔn)確反映輸入信號的頻率和相位信息。因此，在大多數(shù)的無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)中，采用對數(shù)放大器來實現(xiàn)接收機(jī)的中頻放大。在此采用具有大動態(tài)范圍、高精度和低功耗等特點的對數(shù)放大器AD608進(jìn)行中頻接收機(jī)的設(shè)計和實現(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完整的對數(shù)／限幅放大器，該放大器使用“連續(xù)檢測”技術(shù)，可以提供一個高速的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)輸出，同時其內(nèi)部的限幅器還可提供硬限幅信號輸出。它具有以下特性：動態(tài)范圍為80 dB，輸入信號帶寬大于500 MHz，限幅輸出相位抖動典型值是士3°，電壓范圍為2．7～5．5 V，典型功耗21 mW(3 V供電時)。
??? 該芯片的對數(shù)中頻放大器包含五級放大器，每一級的增益為16 dB?！斑B續(xù)檢測”結(jié)構(gòu)共有7級檢測器，其中包括五級全波檢測器和兩個用于限幅放大器輸入端驅(qū)動的檢測器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于5 kΩ的負(fù)載，限幅器的輸出驅(qū)動為±200 mV。限幅放大器的電壓增益大于100 dB，轉(zhuǎn)換時間是11 ns。在頻率為10．7 MHz時，對于－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測量系統(tǒng)中。由于對數(shù)放大器AD608具有信號強(qiáng)度指示(RSSI)功能，可以實現(xiàn)中頻信號的檢波，同時它的限幅輸出還可以精確再現(xiàn)輸入信號的頻率和相位信息。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。

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

2．1 低噪聲放大器
??? AD608進(jìn)行信號強(qiáng)度指示所要求的輸入信號范圍是-75～+5 dBm，為了保證接收機(jī)的高靈敏度和70 dB的動態(tài)范圍，必須使中頻信號滿足對數(shù)放大器的輸入要求。因此，需要一級低噪聲放大器對輸入的中頻信號進(jìn)行匹配、放大。該設(shè)計采用的放大器是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不可避免地包含其他干擾信號和噪聲，而且前端放大器在對有用信號放大的同時會產(chǎn)生其他諧波分量。這些干擾信號輸入AD608中會導(dǎo)致該芯片在低端(輸入信號低于-65 dBm)時不能進(jìn)行信號強(qiáng)度指示，同時還將會使限幅器的輸出信號的相位隨機(jī)擺動。因此，需要在AD608前增加帶通濾波器以濾出干擾信號。中頻單元接收到的信號是基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制而得到的，并且基帶信號有一定頻帶寬度。為了保證檢波出的基帶信號在允許的失真范圍內(nèi)，設(shè)計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 對數(shù)放大電路
??? 由于對數(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微伏的偏移也會使輸出飽和。因此，在使用AD608時采用低頻反饋回路(如圖5中的R4，C7，C8)來消除輸入端的偏移。在對數(shù)放大電路中，中頻信號從芯片的IFHI引腳輸入，限幅信號和檢波信號分別從LMOP和RSSI引腳輸出。由于對數(shù)放大器的檢波輸出電壓只有幾百毫伏，不能滿足后續(xù)處理電路的門限電壓要求，因此需要高帶寬增益積的運算放大器對檢波出的信號做進(jìn)一步的放大。在此采用LM384作為對數(shù)放大電路的輸出級放大器。
??? 中頻輸入端的干擾信號、偏移反饋回路中不準(zhǔn)確的元件值都會對AD608的檢波動態(tài)范圍造成影響。因此，在設(shè)計中頻接收機(jī)時要盡量提高對數(shù)放大器中頻輸入信號的信噪比，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)的動態(tài)范圍達(dá)到設(shè)計要求。

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的紋波頻率低一個倍頻程。在工作于較低的中頻時，AD608需要外接一單極點90 kHz的低通濾波器，該頻率比這些中頻產(chǎn)生的900 kHz紋波頻率低一個倍頻程。而在-75～+5 dB的輸出范圍內(nèi)，其RSSI的測量精度為±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 實驗結(jié)果
??? 在實驗中，對數(shù)中頻接收機(jī)的輸入端是AM調(diào)制信號，其中調(diào)制度為40 %，載波頻率為30 MHz，調(diào)制信號為1 kHz的正弦信號。當(dāng)輸入信號在-80～-10dBm的范圍內(nèi)，接收機(jī)能準(zhǔn)確檢波出AM信號的包絡(luò)，如圖6所示；當(dāng)信號是-83 dBm時，由于AD608的中頻輸入端有干擾信號，檢波輸出信號失真，并且頻率不穩(wěn)定，如圖7所示；當(dāng)信號是-8 dBm時，AD608的輸入端信號是+7 dBm已經(jīng)達(dá)到飽和，所以檢波信號的波峰被削平，如圖8所示。根據(jù)實驗可知，增大中頻接收機(jī)的動態(tài)范圍關(guān)鍵要抑制干擾信號，提高輸人端的信噪比。

4 結(jié) 語
??? 通過對中頻接收機(jī)進(jìn)行調(diào)試及測量。它在±1 dB的線性度下的信號強(qiáng)度指示(RSSI)范圍達(dá)到70 dB，基本滿足設(shè)計要求。由于該設(shè)計的對數(shù)中頻接收機(jī)的檢波動態(tài)范圍大并且工作性能穩(wěn)定，已成功應(yīng)用于某檢測系統(tǒng)。在使用AD608時要恰當(dāng)處理常見問題，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，這些都會使得AD608在低端(低于-65 dBm)時失去RSSI測量能力，而使得限幅器隨機(jī)擺動。比較差的印制板布局設(shè)計和不恰當(dāng)?shù)钠品答伝芈范紩斐傻皖l振蕩；而不恰當(dāng)?shù)牟季衷O(shè)計和屏蔽會產(chǎn)生射頻干擾。