2.4G直接下变频接收机射频前端的设计与研究

来源：微计算机信息 ; 作者：全会阁 刘宏立 童调生
摘;要：射频前端模块性能关系到整个接收机的性能，直接下变频接收机有体积小，价格低和高集成度的优点而受到了广泛的重视。本文对直接下变频接收机进行了研究，分析了该接收机特点，提出了一种直接下变频接收机的射频前端实现方案，并用软硬件平台对其实现，实测的2.4G本地振荡信号和接收机解调信号表明达到系统要求指标。
关键词：直接下变频接收机，频率合成器，射频前端

前言
现在的接收机大多是超外差结构，微弱的高频无线信号经过一级或者两级的混频电路，去掉其它信道的干扰并获得足够的增益，最终完成信号的解调。这种接收机结构复杂，存在镜像干扰，同时需要高Q值的，体积大的IF滤波器，因此使得系统复杂化，集成困难。针对超外差接收机的缺点，现在提出了直接下变频接收机，直接下变频接收机的本振与载波频率相等，直接将射频信号变换到基带, 因此不存在镜像干扰，不需要镜像干扰抑制滤波器。中频模块的节省可以大大简化系统，有利于单片系统的集成。同时信号的放大和滤波都主要在基带进行，降低了能耗。因此直接下变频接收机在无线通信领域受到了广泛关注。
1直接下变频接收机总体功能描述

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图1直接下变频接收机框图
天线接收到的2.4G射频信号首先经过天线匹配电路，在接收时隙内微弱的信号经过低噪放大器放大和带通滤波器滤波，得到的射频信号分别与互为正交的两路本振信号混频，产生同相和正交两路基带信号。增益可编程放大器放大I/Q两路信号后，再通过低通滤波器完成信道选择。得到的信号送入ADC中采样，经后级的DSP处理恢复出原信号。
2 直接下变频接收机关键部分的设计
2.1接收机的芯片选择
;接收机主要有三部分组成：低噪声放大器，正交解调器和本地振荡器。
根据Friis表达式，N级级联系统中噪声因子为：

从上式可以看出射频放大级主宰了接收机的整体噪声系数，与接收机的性能密切相关。由于射频放大级的增益，使整个噪声指数才增加的并不多，但是太高的射频放大级增益，对于后级的线性度和稳定度都有影响，在这里我们采用的是应用于2.4GHz WLAN,ISM和蓝牙无线系统的高线性低噪放大器max2644,增益16dB，噪声系数2dB。
接收机解调芯片采用美信公司一款工作在2.1G ～2.5G的零中频结构的正交解调芯片，该芯片包括正交下变频器，基带可控增益放大器，基带增益平衡调控电路和偏置电路。正交混频器具有18dB的电压增益和较好的线性度。芯片采用新颖的可变增益放大器，I/Q两路信号分别采用了总增益80dB，可控增益达60dB的两级增益可调放大器，第一级是一个级联差分输入单端输出的宽带放大器，它的设计目标是在高增益状态下的低噪声，低功耗以及线性度。第二级也是一个差分输入单端输出的宽带放大器，在两级放大器之间加入低通滤波器可以构成信道选择滤波器，从而达到抑制相邻信道功率的作用。
本地振荡器采用ADI公司的ADF4360-1芯片。
2.2接收机的本振设计
接收机通过混频器实现2.4G直接变频到基带，因此需要一个2.4G的本地振荡信号，同时要求本振信号频率精度和稳定度高，相位噪声小。锁相环是一种建立在相位负反馈基础之上的闭环控制系统，对相位噪声和杂散具有很好的抑制作用，在电视，仪器，通信等领域得到了广泛的应用。该接收机本振设计中采用ADI公司的ADF4360-1 芯片，它的射频输入频率在2050M－2450M，内置可编程分频器，具有电荷泵电流编程功能，可应用于无线射频通信系统，是一款性价比很高的电荷泵锁存芯片。


图2 频率合成器原理框图
在设计中，通过单片机89C2051控制ADF4360-1的CLOCK，DATA和LE信号，在频率合成器芯片内部完成参考晶振R分频和压控振荡器N分频相位的比较，并且转换成相应的线性电压后从CP0输出，经过3阶环路滤波器滤出高频干扰信号后，得到一稳定电压来控制压控振荡器的输出，最终的信号频率被锁定在2.4G上。

图3 ADF4360-1芯片组成锁相环电路和三阶环路滤