CN110350932A - 一种高频宽带接收机及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种功能可扩展的外差式结构高频宽带接收机，该系统包括：单片机、电源模块、低噪声前置放大器模块、混频器模块、本振信号源模块、中频滤波器模块、数字衰减AGC模块、有效值检波模块、相位鉴频器和包络检波电路模块。有益效果：各个模块采用分立的标准接口设计，具有较高的可拆卸和可拓展性，系统预留了多个测量端口和拓展点，用户可根据实际需求调整已有模块或增加新电路模块，可方便地进行二次开发和性能优化，满足对于突发事件的极端情况中，特定场景或特定信号的专用性设计。

Description

一种高频宽带接收机及信号处理方法

技术领域

本发明涉及宽带接收机，尤其涉及一种基于超外差结构的高频宽带接收机及信号处理方法。

背景技术

近些年来，高频短波通信通常在雷达、军事、广播通信、海事通信、战场指挥及抢险救灾中也同样发挥重要作用。

由于高频短波通信是通过电离层的反射进行电磁波的传播，不需要地面中继设备支持，所以它可作为应急的通信手段，保证通信通畅。高频数字短波通信却不受地理环境的制约，能够覆盖这些范围，实现通畅通信川且成本低廉，只需要简单的通信收发电台和较低的功率即可实现高频短波通信。

现有技术中，高频宽带接收机强调通用性，各种设计指标在设计时已经确定，用户无法自主更改，对于生产生活中遇到的突发极端情况无法及时有效的根据需求对接收机进行性能调整。对特定测量情况或特定信号缺乏针对性的特殊处理，在特殊情况下的专用性较差。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于超外差结构的高频宽带接收机，该系统由多个独立的高频电路模块组成，用户可根据实际需求，通过单独调试各模块、系统联调、软件编程对系统进行升级更新，实现自主定制，具体由以下技术方案实现：

所述高频宽带接收机包括：

低噪声前放电路模块，提高输入信号的信噪比，抑制输入信号的噪声；

本振源信号电路模块，扫频输出频率已知的标准正弦波，输出本振信号；

混频器电路模块，得到输入信号与本振信号的和频与差频；

数字衰减AGC电路模块，调整中频信号的幅值，增大接收机输入动态范围；

相位鉴频电路模块，对输入的调频波进行解调；

包络检波电路模块，对输入的调幅波进行解调；

单片机，控制本振源信号电路模块的固定频率输出与扫频；控制对相位鉴频或包络检波电路模块输出信号的 A/D数据采样与功率转换计算；

各电路模块的输入和输出阻抗均为50欧，各电路模块之间均采用短较的双芯同轴线连接，实现阻抗匹配，减小信号反射和干扰；各电路模块均采用0欧电阻一点接地一级磁珠一点接电源的方式避免由电源馈线和地线引起的前后级反馈。

所述高频宽带接收机的进一步设计在于，所述低噪声前放电路模块包括采用两级级联的低噪声运放芯片SPF5043放大器形成放大单元与外围电路，所述放大单元的每一级工作频率范围为50MHz到3GHz，外围电路包括滤波电容、输入输出耦合电容以及高频扼流线圈，所述高频扼流线圈与输入输出耦合电容的对应一端分别与低噪声运放芯片SPF5043的输出端连接，高频扼流线圈的另一端与滤波电容连接。

所述高频宽带接收机的进一步设计在于，所述本振源信号电路模块包括集成锁相环芯片ADF4351，集成锁相环芯片通过芯片内部的可编程分频电路设定锁相环路的输出频率范围；通过单片机对集成锁相环芯片进行编程控制，产生频率固定的单频信号或设定频率步进值的连续扫频信号。

所述高频宽带接收机的进一步设计在于，混频器电路模块通过高速模拟乘法器芯片AD831实现混频。

所述高频宽带接收机的进一步设计在于，所述数字衰减电路模块由可编程的PE4302衰减器芯片和固定增益的运算放大器构成。

所述高频宽带接收机的进一步设计在于，相位鉴频电路模块包括：

频相转换电路，将等幅的调频波转换成幅度随瞬时频率变化的调幅调频波；

鉴相器，采用两个二极管并联形成的检波器进行幅度检波，以还原出调制信号；

相位鉴频电路模块中，输入的信号接入两个的串联电容之间，作为鉴相器的参考电压；输入的信号经一可变电容耦合到鉴相器作为输入。

所述高频宽带接收机的进一步设计在于，包络检波电路模块包括：二极管和RC低通滤波器、直流负载、耦合电容、电容、电感、匹配电阻以及阻值可调的直流负载，输入信号通过耦合电容和匹配电阻接所述电感到地后传输至所述二极管检波，经二极管检波的输出信号经所述电容到地进入RC滤波器，RC滤波器的输出接所述直流负载到地；二极管检波过程中，当输入信号的幅度增大或减少时，检波器输出电压也将随之近似成比例地升高或降低；当输入信号为调幅波时，检波器输出电压就随着调幅波的包络线而变化，从而获得调制信号，完成检波作用。

如权利要求1-9任一项所述的高频宽带接收机的信号处理方法，包括如下步骤：

步骤1）前置放大：输入信号经过低噪声前放电路模块，噪声得到抑制，有效信号得到放大后输入系统；

步骤2）本振源输出：单片机控制本振源电路输出设定参数的标准正弦波；

步骤3）混频与滤波：输入信号与本振源信号由混频器电路模块进行混频，分别得到两个信号的合频与差频信号，经中频滤波器滤波得到中频信号；

步骤4）中频放大与衰减：中频放大器对所述中频信号进行适当放大，若出现饱和，控制衰减器进行衰减，得到不失真的中频信号；

步骤5）包络检波或相位鉴频： 由单片机判断输入信号的调制类型后接入相应的解调电路，对信号进行解调输出；

步骤6）采样与画图：单片机对检波器输出的解调信号进行采样，在屏幕上以时间轴横坐标，以设定的电压单位为纵坐标，描点作图。

本发明的优点如下：

本发明的接收机结合硬件电路和软件控制，可实现最小为1uV峰峰值的输入信号的频谱测量，输入动态范围超过60dB，频率分辨率为100KHz，对杂散信号和系统本底噪声都有较好的抑制。该系统工作稳定，能够满足实际生产生活中大部分信号的接收与解调，同时具有较大的二次开发空间，例如用户可自行设计ASK、FSK、PSK信号的解调模块，集成到系统当中，增加可处理的信号类型。又比如用户可根据需求将中放电路中的衰减器模块调整为软件控制或手动控制，软件控制可实现AGC功能，进一步提高信号接收的速率和效率；手动控制可提高接收精度，方便信号微调。如果将锁相环本振信号的频率步进值设置为10KHz，对10.7MHz的中频信号进行二次下变频，用带宽小于10KHz，中心频率为455KHz的陶瓷滤波器作最后的中频滤波，可将接收机的频谱分辨率提高到10KHz。

综上所述，用户通过自行设计和替换原系统中各个功能模块，修改和补充软件控制内容，可大大扩接收机的测量功能和提高其技术指标，有助于实现用户根据自身实际需求，对某些特殊测量情况进行设备的自我定制，可大大提高在特定情况下设备的性能指标，有效增强突发事件时极端条件下设备的适应性。

附图说明

图1是高频宽带接收机系统的结构框图。

图2 是PE4302芯片构成的数字衰减电路原理图。

图3是SPF5043芯片构成的低噪声前放电路模块原理图。

图4是乘法器芯片AD831构成的混频器电路模块原理图。

图5是锁相环芯片ADF4351构成的本振电路原理图。

图6是相位鉴频模块电路原理图。

图7是包络检波模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

如图1，本实施例的高频宽带接收机，主要由：低噪声前放电路模块、本振源信号电路模块、混频器电路模块、数字衰减电路模块以及相位鉴频电路模块组成。低噪声前放电路模块，提高输入信号的信噪比，抑制输入信号的噪声。本振源信号电路模块，扫频输出频率已知的标准正弦波，输出本振信号。混频器电路模块，得到输入信号与本振信号的和频与差频。数字衰减电路模块，调整输入信号的幅值，增大接收机输入动态范围。相位鉴频电路模块，对输入的调频波进行解调。包络检波电路模块，对输入的调幅波进行解调。各电路模块的输入和输出阻抗均为50欧，各电路模块之间均采用短较的双芯同轴线连接，实现阻抗匹配，减小信号反射和干扰；各电路模块均采用0欧电阻一点接地一级磁珠一点接电源的方式避免由电源馈线和地线引起的前后级反馈。

本实施例的基于超外差结构，输入被测信号经低噪声前置放大器之后与本振信号进行混频，中心频率为10.7MHz的石英晶体滤波器作中频滤波，滤波后的信号经过中频放大器获得较大增益，若出现饱和，有衰减器调整实现性能最优。为进一步降低中放输出的杂散信号功率和系统的本底噪声，提高频谱显示的信噪比，中放后用中心频率为10.7MHz的陶瓷滤波器进行了二次滤波。最后通过有效值检波器，由单片机判断输入信号类型后选择检波器，实现对FM或AM信号的解调。

系统噪声系数主要由系统的第1，2级电路决定，因此前放电路必须保证噪声系数尽量小，同时增益不易过大，一般选择前放增益在20-30dB。如果前放的增益过大，在放大有用信号的同时，输入端的噪声也会获得较大的增益，这样在系统的后端就很难有效抑制本底噪声和杂散信号，将直接降低频谱仪显示的信号频谱的信噪比。另一方面，前放增益过大，也容易使被测信号较大时在经过混频器之后就产生饱和，影响频谱仪的输入信号动态范围。

本实施例中，前放电路选择砷化镓材料的低噪声运放芯片SPF5043，工作频率范围大约从50MHz到3GHz，在频率为900MHz时，增益可达18.5dB，噪声系数为0.6dB，构成放大器电路时，外围电路只需要电容滤波、输入输出耦合电容和一个高频扼流线圈。本系统前放采用两级SPF5043放大器级联，总增益约35dB。

系统对本振信号源电路的要求：1）本振信号的频率稳定度高，相位噪声小。2）本振信号能够实现连续扫频，频率步进小。3）本振信号的输出功率满足混频器的本振输入功率要求，波形失真小。

本振信号源电路的核心器件是可编程的集成锁相环芯片ADF4351，芯片内部集成了宽带频率合成器，其压控振荡器的基波输出频率范围为2.2GHz~4.4GHz，利用内部的可编程分频电路，可使锁相环路的输出频率范围为50 MHz ~310.7MHz，输出电压的峰峰值大于500mV，通过STM32F407单片机对芯片进行编程控制，可以产生频率固定的单频信号或频率步进值为100KHz的连续扫频信号。

混频器电路模块需要有较低的噪声系数和较好的线性度，同时尽量减少输出的高阶组合频率分量干扰以及输入信号和本振信号的泄漏。本系统中采用高速模拟乘法器芯片AD831来实现混频，该乘法器具有高达500 MHz的射频和本振输入信号带宽，250 MHz的差分电流中频输出带宽。构成混频器电路模块时，对本振信号的输入功率要求很低，最小为-10dBm。本振和射频输入端口之间有很高的隔离度，输出的10.7MHz中频信号对本振和输入信号的泄漏抑制率均高于30dB，输出阻抗可以实现50欧姆的匹配，混频器本身没有插入损耗。采用AD831芯片设计的混频器电路模块具有较好的线性度和超过40dB的输入动态范围，能够满足系统的设计指标要求。

中频滤波器在混频器的输出端，可采用中心频率为10.7MHz的石英晶体滤波器，其-3dB带宽小于100 KHz，可保证频谱仪的频率分辨率为100KHz。在中频放大器的输出端加入压电陶瓷滤波器构成的第二级中频滤波器，主要作用是滤除频谱仪前端被中放放大的本底噪声，提高频谱检测的信噪比，此外还可以有效的抑制由于混频非线性引入的杂散信号，提高频谱检测的纯度。前后两级中频滤波器带来的总插入损耗约为35dB，可通过增加中放的增益来进行补偿。

为保证中放输出的有用信号有足够的信噪比，提高后级有效值检波器的检测精度，通常需保证中频输出信号的功率在-20dBm以上。被测输入信号的最小功率为-56dBm，考虑到两级中频滤波器的35dB插入损耗和系统各级电路之间阻抗匹配带来的12dB衰减，因此本系统中的前放级、混频器级、中放级的总增益必须超过85dB。混频器级没有增益，前放总增益约35dB，中放最大增益需要50dB以上。中放电路的固定增益电路由三级OPA847运放芯片组成，总增益约为54dB。

当输入被测信号的幅度较大时，一方面有可能使中放电路输出饱和；另一方面若进入混频器的输入信号功率过大，会引起混频器电路模块产生严重的非线性效应，混频后会出现大量的组合频率分量。如果这些分量的频率在10.7MHz附近，则同样会进入系统后端的中放和检波器，最终造成被测信号的频谱中出现大量的杂散频率，严重影响信号的解调。因此在系统的中放需要加入衰减器电路构成以数字衰减为核心的AGC中放，对大信号输入进行衰减，从而扩展接收机的输入动态范围。

衰减电路由可编程的PE4302衰减器芯片构成，芯片内部有CMOS逻辑控制的电阻衰减网络，因此基本不会引入额外的噪声，降低输入信号的信噪比。在系统中，通过外部的拨码开关可实现最大31.5dB的手动衰减调整范围。从而保证了接收机的输入被测信号具有60dB以上的动态范围。

衰减器和固定增益电路组成数字衰减AGC电路，可以在保证增益的前提下有效增大动态范围，提高信噪比。

单片机使用STM32F407，软件部分的功能主要包括：（1）锁相环本振信号源的频率扫频编程控制。（2）检波器输出信号的 A/D数据采样，功率转换计算。（3）液晶屏的图像显示。（4）镜像干扰信号的软件识别和去除。

相位鉴频电路模块由频相转换电路和鉴相器两部分组成。将等幅的调频波转换成幅度随瞬时频率变化的调幅调频波，再用二极管检波器进行幅度检波，以还原出调制信号。输入信号直接加到两个的串联电容的中心点上，作为鉴相器的参考电压。同时，输入信号又经可变电容耦合到鉴相器作为输入。鉴相器采用两个并联二极管检波电路，输出检波后的低频信号。

包络检波电路模块主要二极管和RC低通滤波器两部分组成。 利用二极管的单向导电性使得电路的充放电时间常数不同来实现检波输入信号为正并超过和上的时，二极管导通，信号通过二极管向输出端电容充电，此时输出端电容两端电压随充电电压上升而升高。当下降且小于输出端电容两端电压时，二极管反向截止，此时停止向充电，通过放电，输出端电容两端电压随放电而下降。充电时，二极管的正向电阻较小，充电较快。以接近的上升速率升高。放电时，调节负载电阻使其比二极管正向电阻大得多，放电慢，故输出信号的波动小，并保证基本上接近于输入的幅度。当输入信号的幅度增大或减少时，检波器输出电压也将随之近似成比例地升高或降低。当输入信号为调幅波时，检波器输出电压就随着调幅波的包络线而变化，从而获得调制信号，完成检波作用。

以矩阵键盘和高分辨率液晶显示屏作为用户的输入和输出接口，可以通过键盘设定频谱仪的扫频范围，将输出信号的波形直接在液晶显示屏上显示，也可以通过RS232串行接口将测量的数据传输给计算机，在计算机上通过Origin、Matlab等多种软件绘制信号的波形图。

本实施例的高频宽带接收机由多个常用的高频电路模块组成，由直流电源模块统一供电，用户可以单独调试各个电路功能模块，根据需求调整锁相环、混频、滤波、中放、检波等实际电路的指标和功能，提高系统对某种特殊情况或特定信号测量的专用性；随后将各个模块连接成完整的硬件系统，通过单片机软件编程即可完成简易的信号接收与解调。用户无需过多关注系统中各级电路的增益分配、频率选择、噪声抑制、阻抗匹配等复杂概念和技术，只需根据设定特征自行设计和制作各个电路功能模块，并将制作的模块接入系统中进行调试，即可实现对特定信号的检测和解调，并改善接收机的技术指标。综上所述，该系统适应性较强，具有较大的二次开发空间，可根据实际需求，由用户简单升级改造后即可适应用户需要的突发极端应用场景，满足要求的性能指标，实现自主定制化。

Claims (8)

1.一种高频宽带接收机，其特征在于包括：

低噪声前放电路模块，提高输入信号的信噪比，抑制输入信号的噪声；

本振源信号电路模块，扫频输出频率已知的标准正弦波，输出本振信号；

混频器电路模块，得到输入信号与本振信号的和频与差频；

数字衰减AGC电路模块，调整中频信号的幅值，增大接收机输入动态范围；

相位鉴频电路模块，对输入的调频波进行解调；

包络检波电路模块，对输入的调幅波进行解调；

单片机，控制本振源信号电路模块的固定频率输出与扫频；控制对相位鉴频或包络检波电路模块输出信号的 A/D数据采样与功率转换计算；

各电路模块的输入和输出阻抗均为50欧，各电路模块之间均采用短较的双芯同轴线连接，实现阻抗匹配，减小信号反射和干扰；各电路模块均采用0欧电阻一点接地一级磁珠一点接电源的方式避免由电源馈线和地线引起的前后级反馈。

2.根据权利要求1所述的高频宽带接收机，其特征在于：所述低噪声前放电路模块包括采用两级级联的低噪声运放芯片SPF5043放大器形成放大单元与外围电路，所述放大单元的每一级工作频率范围为50MHz到3GHz，外围电路包括滤波电容、输入输出耦合电容以及高频扼流线圈，所述高频扼流线圈与输入输出耦合电容的对应一端分别与低噪声运放芯片SPF5043的输出端连接，高频扼流线圈的另一端与滤波电容连接。

3.根据权利要求1所述的高频宽带接收机，其特征在于：所述本振源信号电路模块包括集成锁相环芯片ADF4351，集成锁相环芯片通过芯片内部的可编程分频电路设定锁相环路的输出频率范围；通过单片机对集成锁相环芯片进行编程控制，产生频率固定的单频信号或设定频率步进值的连续扫频信号。

4.根据权利要求1所述的高频宽带接收机，其特征在于：混频器电路模块通过高速模拟乘法器芯片AD831实现混频。

5.根据权利要求1所述的高频宽带接收机，其特征在于：所述数字衰减电路模块由可编程的PE4302衰减器芯片和固定增益的运算放大器构成。

6.根据权利要求1所述的高频宽带接收机，其特征在于：相位鉴频电路模块包括：

频相转换电路，将等幅的调频波转换成幅度随瞬时频率变化的调幅调频波；

鉴相器，采用两个二极管并联形成的检波器进行幅度检波，以还原出调制信号；

相位鉴频电路模块中，输入的信号接入两个的串联电容之间，作为鉴相器的参考电压；输入的信号经一可变电容耦合到鉴相器作为输入。

7.根据权利要求1所述的高频宽带接收机，其特征在于：包络检波电路模块包括：二极管和RC低通滤波器、直流负载、耦合电容、电容、电感、匹配电阻以及阻值可调的直流负载，输入信号通过耦合电容和匹配电阻接所述电感到地后传输至所述二极管检波，经二极管检波的输出信号经所述电容到地进入RC滤波器，RC滤波器的输出接所述直流负载到地；二极管检波过程中，当输入信号的幅度增大或减少时，检波器输出电压也将随之近似成比例地升高或降低；当输入信号为调幅波时，检波器输出电压就随着调幅波的包络线而变化，从而获得调制信号，完成检波作用。

8.如权利要求1-7任一项所述的高频宽带接收机的信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1）前置放大：输入信号经过低噪声前放电路模块，噪声得到抑制，有效信号得到放大后输入系统；

步骤2）本振源输出：单片机控制本振源电路输出设定参数的标准正弦波；

步骤3）混频与滤波：输入信号与本振源信号由混频器电路模块进行混频，分别得到两个信号的合频与差频信号，经中频滤波器滤波得到中频信号；

步骤4）中频放大与衰减：中频放大器对所述中频信号进行适当放大，若出现饱和，控制衰减器进行衰减，得到不失真的中频信号；

步骤5）包络检波或相位鉴频： 由单片机判断输入信号的调制类型后接入相应的解调电路，对信号进行解调输出；

步骤6）采样与画图：单片机对检波器输出的解调信号进行采样，在屏幕上以时间轴横坐标，以设定的电压单位为纵坐标，描点作图。