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智能天线射频前端电路的研究和设计

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1、引言

随着移动通信事业在全球范围内的迅猛发展，我国的移动通信总用户已经跃居世界第一。作为通信强国，国内许多大学和公司致力于通信事业的研究和发展，并与九十年代初，提出了我国第一个具有自主知识产权的通信标准TD-SCDMA，它成为了第三代移动通信系统中三大主流标准之一。其中，智能天线是第三代移动通信技术及三代以后移动通信技术发展的主要研究方向之一。应用智能天线，可以有效抑制多址干扰，成倍的提高系统容量，极大的改善频谱的使用效率，是解决近年来移动数目急剧增加，频谱资源匮乏的有效途径。

在移动通信系统的基站设备结构中，射频前端模块位于天线单元与中频处理单元之间，其作用是为基站与用户终端之间的通信提供信号通道。作为智能天线系统中的关键部件，在一定程度上决定了整个系统的通信质量。

2、射频前端在智能天线中的作用和构成

在智能天线接收系统中，射频前端的任务是对信号进行放大及频率变换，以满足A/D采样的要求，射频前端输出信号的质量直接决定了整个智能天线系统的性能。它包括收信单元和发信单元，其中收信单元的主要作用是接收来自用户发出的上行射频信号，对其进行滤波、放大和下变频处理，然后对变频后的模拟信号进行数模转换和解调，产生需要的数字I/Q信号，送往基带处理单元；发信单元的主要功能是对基站基带处理单元送来的数字信号进行调制以及数模转换，然后上变频到规定的射频频段并进行功率放大，最后通过天线发射。射频前端的典型原理框图如图1所示。

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图1：智能天线射频前端工作原理框图

3、接收机射频前端特性

收信机的设计目的就是在引入尽可能最小的干扰的情况下，将输入的电磁能量转变成有用的信号。一般情况下，收信机的性能指标主要由以下几个指标衡量：

（1）接收参考灵敏度电平：接收参考灵敏度是指在确保误比特率（BER）不超过某一特定值的情况下，即保证能对信号正确解调的情况下，接收机接收的最小信号电平。
（2）邻道选择性：邻道选择性指接收机滤波器在指定信道频率上的衰减与在相邻信道频率上的衰减比值。邻道选择性的强弱，直接影响着射频收信机的接收性能。
（3）动态范围：对于收信机来说，其接收动态范围指在满足一定的通信质量的前提下它能够处理的最小与最大信号功率范围。
（4）杂散抑制：杂散抑制是指接收机对有用信号以外的其他杂散信号（如寄生信号、本振泄漏等）的抑制能力。

典型的接收机设计主要有超外差接收机和零中频接收机两种形式。零中频接收机或者接近零中频接收机又叫直接变换接收机，这是近年来比较偏爱的一类接收机，但零中频接收技术上还有些问题。超外差接收机是最为普遍的接收机，它比零中频接收机具有更好的噪声性能，能有效的抑制接近有用信号的干扰，因此，TD-SCDMA系统适宜采用这种超外差接收机的方案。

4、接收机射频前端的设计实现

在TD-SCDMA射频收信机模块中考虑二次变频方案，这是因为在不同频率点分配增益稳定性较好，并且更多的优化滤波可提高接收机抗干扰能力。图2为射频前端发信机结构图。

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图2：射频前端发信机结构图

RF前端包括射频滤波器（RF Fliter），低噪声放大器（LNA），中频滤波器（IF Fliter），中频放大器（IF Amplifier），混频器（MIX）。

各部分电路的作用如下：
（1） RF Fliter1一般叫做预选器，它具有良好的单向性能和良好的反向隔离性，防止除接收频率以外的干扰信号进入和防止本振（或发射）信号通过接收天线泄漏；
（2） LNA选择低噪声、高增益的集成放大器，目的是补偿预选器的损耗、提高系统的信噪比、加强混频器/ 本振电路与输入端口之间的隔离；
（3） 1st IF Fliter主要是实现镜像抑制，在高放后必须有抑制，否则高放的噪声系数会由于放大后的镜像噪声混频进入信道而成倍增加。1st IF越高镜像抑制滤波器的通频带越宽；
（4） 1st IF Amplifier的作用为补偿混频器的损耗，提供给2st IF Amplifier足够电平；
（5） IF Fliter2实际上是一个低通滤波器，主要是抑制放大、混频产生组合的干扰和杂波以及取出中频信号。在混频器选择低端输入，某些干扰信号可能在射频信号的低端产生，特别是在数字本振电路中，低端的中频干扰信号会泄漏到混频器的输入端，混频器对中频干扰相当于一级放大器，能顺利的通过后面的电路而形成干扰；
（6） MIX1变频采用的是低噪声、大动态、隔离度高的DMOS 场效应管集成的无源双平衡混频器。MIX2变频采用的是无源双平衡混频器。

5、仿真结果

根据3GPP标准的要求，对收信链路设计进行了仿真，对收信链路的各个器件建立相关模型，构建射频收发链路的设计平台。由于篇幅的限制，这里没有一一列出所选器件的参数，仿真时，按照所选器件的性能指标，使用各个的行为级功能模块，直接按设计要求对其参数进行设定，然后对整机方案的各种特性进行仿真。

（1）频带选择性仿真

由仿真结果可看到，在偏离中心频率190MHz处，即1820～1835MHz频段，可得到78dB左右的衰减；在偏离中心频率380MHz处，即1630～1645MHz频段，可得到98dB左右的衰减，此外接收机射频前端的接收带宽为20MHz，和TD- SCDMA系统的要求相吻合，而且通带内的波动不超过0.01dB。