接收机系统设计

接收机设计是一种综合性的挑战，首先要明确设计目的，即设计那一种接收机，不同种类接收机的设计方法是大不相同的。然后根据系统设计的指标要求进行全面分析，寻找出设计重点或难点，即是高灵敏度设计；或是高线性设计；或是大动态范围设计；还是宽频带设计。不同的设计重点有不同的实现方法，根据系统要求的性能指标，首先要确定：

1． 接收机的结构形式，设计系统实现的原理方框图。

确定采样超外差式结构，零中频结构，还是数字IF结构；确定采样本振频率合成器的类型；确定是一次变频还是多次变频结构，是否用高中频；确定信号的动态范围及接收机的线性度。

2． 接收机功能电路实现及系统线路组成，设计电路图。

本章对一般接收机的设计方法不作详细的讨论，只重点讨论接收机设计中有关高线性度和大动态范围实现的具体方法，这也是本课题实现中的难点所在。

§1.1大动态范围接收机设计方法

接收机动态范围DR（Dynamic Range）,是指接收机能够接收检测到的信号功率从最小可检测信号MDS到接收机输入1－dB压缩点之间的功率变化范围,是接收机最重要的性能指标之一。第二章对动态范围已经作了详细的论述。通常，一般的接收机都具有60dB～80dB的动态范围，现代接收机则对动态范围指标提出相当苛刻的要求，往往超过100dB。如本项目动态范围指标要求做的大于120dB。

实现接收机动态范围的功能电路是接收机中的AGC，自动增益控制电路。AGC是一个闭环负反馈自动控制系统，是接收机最重要的功能电路之一。接收机的总增益通常分配在各级AGC电路中，各级AGC电路级联构成总的增益。在接收微弱信号时，接收机要具有高增益，将微弱信号放大到要求的电平，在接收机靠近发射电台式时，AGC控制接收机的总增益，使接收机对大信号的增益很小，甚至衰减。接收机动态范围实现的示意图如下图所示。

图1-1 接收机动态范围实现

AGC的一般原理框图如下，是一个直流电压负反馈系统，控制信号代表信道输出幅度检波后的直流值与参考电压之间的误差值，若输

图1-2 接收机动态范围实现

入信号幅度变化，则控制信号也随着变化，其作用是使误差减小到最小值。对AGC环路的要求随输入信号的调制类型不同而不同。通常，AM信号对AGC的要求较FM接收机或脉冲雷达接收机要严格的多。

通常接收机第一级AGC的输入级的信号动态范围最大，而且第一级AGC一般要求要具有衰减作用以提高接收机接收大信号的能力。在AGC电路中必须保证信道放大器工作在线性区域，即小于器件的1－dB压缩点，否则就会产生失真。

变增益放大器

或电调衰减器 放大器

AGC

检波器

低通

滤波器 DC放大器

直流参考电压 信号输入 信号输出 ReceiverGainAGCPin(dBm)0-20-60-40-80-100-120Pout(dBm)0-5-15-10-20高增益低增益输入动态范围输出动态范围输入信号功率基带处理§1.1.1 自动增益控制AGC原理

§1.1.1.1 线性AGC原理

AGC系统从根本上说是一个非线性系统。很难得到描述系统动态特性的非线性动态方程的通解。但是，对于一些系统，可以求得系统的闭环解。对于大多数系统可以根据系统的小信号模型导出近似解。

图1-3 线性(以分贝为单位)AGC系统

上图是一个能用解析法求解的线性AGC系统。在这个系统中，可变增益放大器VGA的增益为P，服从以下的控制律：

CaVeKP1 (1-1)

因此： CaVioeKVV1 (1-2)

上式中Vi和Vo分别表示输入和输出信号的包络幅度。而对数放大器的增益为：

12lnVaV (1-3)

上式中K2为包络检波器的增益。包络检波器的输出总式正的，因此，对数放大器的输出为实数，即可正可负。于是控制电压为

))((2VVsFVrc

)ln)((2orVKVsF (1-3)

上式中，F（s）为滤波器的传递函数。

因为可变增益放大器服从指数规律，有： 输出信号vo 可变增益放大器（VGA）

AGC包络 检波器

低通滤波器

F(S) 参考电压Vr 输入信号vi

对数 放大器 V1

V2 －

＋ VC icoVKaVV1lnln (1-4)

控制电压为： iocVKVaV1lnln (1-5)

即： 21ln)(ln)(ln)](1[lnKsaFKVsaFVsaFVrio

(1-6)

对输入信号的响应为：

rioVsaFVsaFV)(ln)](1[ln (1-7)

因为由对数运算有下式关系：

ooVV10log3.2ln (1-8)

所以，可得到下式：

oooVVV115.0203.2ln（dB） (1-9)

令eo和ei分别表示以分贝为单位的输出和输入，则：

)(1)(7.8)(1saFVsaFsaFeerio (1-10)

因此，只要给出的输入量和输出量以分贝为单位表示，则具体的AGC电路便可以用线性微分方程来描述。该AGC系统就可以用如下图所示的线性负反馈系统等效方框图来描述系统。

图1-4 线性(以分贝为单位)AGC系统等效方框图

上图中，环路的动态特性由滤波器的传递函数F（S）和可变增益放大器的系数a来描述。由于环路带宽必须受到限制，使它对存在于输入信号的任何幅度调制不作出响应，所以F（S）必须使低通滤波器。环路的稳定性取决于滤波器的阶数和环路增益。随着输入幅度的变化输出信号eo

（分贝值）

可变增益放大器

∑

低通滤波器

F(S) 参考电压

8．7Vr 输入信号ei

（分贝值）

－

＋ ＋

＋

∑ 而产生的输出稳态增益为：

)0(1aFeeio (1-10)

式中F（0）为滤波器的直流增益。应该使增量Δeo随输入幅度的变化尽可能小。为达到这一目的，应使直流环路增益尽可能大。

如果F（S）是一个一阶滤波器，且：

1/)(BsKsF (1-11)

式中，K是滤波器的直流增益，B是滤波器的带宽，那么直流特性为：

aKeeio1 (1-12)

则图3－4所示的线性AGC系统的总直流输出为：

aKaKVaKeerio1655.81 (1-13)

通常，环路传输aK远大于1，所以输出eo等于8.655Vr。若以分贝为单位，则输出幅度与参考电压Vr成正比。

含有参考电压的AGC环路，称为延迟AGC。延迟AGC并不是指带宽的限制而延迟了增益控制，主要是指AGC环路包含有参考信号。简单的AGC环路里不含有参考电压，这在一般低要求的接收机中是常见的，比如普通的收音机。

具有一阶低通滤波器环路的AGC闭环传递函数为：

1)1(11•aKBsBsaKeeio (1-14)

对于所有的aK>0的闭环极点总在左半平面，所以这个系统基本是稳定的。闭环系统频率响应的幅频响应图如下图1－5所示。

为了对输入信号幅度变化作出响应，AGC环路应具有高通滤波器特性，即在高频时，AGC的作用很小。对于幅度调制信号，角频率ωL应低于最低调制频率ωM：

MLaKB)1( (1-15)这意味着滤波器带宽要比最低调制频率小得多，其原因是负反馈增大了闭环带宽。

图1-5 线性AGC系统的频率响应

如上所述，为了保持输出电平地恒定，应该保持尽可能大的直流环路增益。一种方法是采用积分器作为滤波器，即F（S）=C/S。理想的积分器对直流的增益为无穷大，因此稳态输出幅度不会随着输入幅度的慢变化而变化。这种滤波器的输出为：

aCsaVaCssseserio6.8)()( (1-16)

在输入恒定时，稳态输出仍与参考电压成正比，即

CVterot6.8)(lim (1-17)

§1.1.1.2 另一种AGC模型分析

许AGC环路不含有对数放大器，因为对数放大器要和指数型可变增益放大器一起应用时才能构成线性AGC模型。但是对于不含对数放大器的AGC系统，仍然可以导出其小信号模型。小信号的限制时指：分析系统只对某一特定的工作点附近的微小变化量时正确的。下图3－6是一个AGC系统的原理方框图模型。在该AGC系统中，可变增益放大器和检测器是环路中仅有的非线性部件。为了简化分析，而又不失一般性，假定检测器、差动放大器以及在可变增益放大器之后的放大器的增益都为1。

0 B B（1＋aK） ioee 图3-6 具有两个非线性部件的AGC系统

基于以上的假设，上图所示的系统可用下图3－7所示的简化模型表示。

图1-7 图3－6所示AGC系统的简化模型

上图中，Vo和Vi现在指的是包络值，F为低通滤波器和放大器组合的与频率有关的传递函数。输出电压Vo＝PVo，可变增益放大器的增益P是Vc的函数。控制电压为：

FVVVorc)( (1-18)

输出电压对输入电压的导数为：

iiiiiodVdPVPPVdVddVdV)( (1-19)

由于：

iocioocciccidVdVFdVdPdVdVdVdVdVdPdVdVdVdPdVdP)( (1-20) 可变增益

放大器

AGC

检波器

低通

滤波器 差动放大器

直流参考电压 信号输入Vi 信号输出Vo

输出信号Vo

可变增益放大器

P（VC）

F

参考电压Vr 输入信号Vi

－

＋ ∑ Vc

将式（3－20）代入到式（3－19），可得到：

PdVdPFVdVdVciio)1( (1-21)

或 1)1(ciiioodVdPFVVdVVdV

(1-22)

式（1－21）和（1－22）是图1－7所示AGC环路的小信号微分方程。对于在某一特定控制电压的增量变化，上式是正确的。环路的传输函数为：

cidVdPVsFL)( (1-23)

是输入信号的函数，因此系统一般是非线性的。由于系统的非线性特性，随着输入幅度变化而产生的如图1－5所示的系统暂态性能一般是难以得到的。因为环路传输取决于输入幅度，故而闭环系统的极点也取决于输入幅度，暂态响应的速率也是如此。

如果图1－7所示系统中，AGC 环路含有一个具有线性特性的

P（Vc）＝Vc可变增益放大器和一个作为低通滤波器F（s）的积分器，且F（s）＝K/s，从式（3－23）可得：

iVsKL (1-24)

而输入信号的微小阶跃变化为：

ssVViii)( (1-25)因此，输出电压的归一化变化量为：

iiooKVssVV)( (1-26)

反变换到时域： tKViooietVV)( (1-27)

可以看出环路动态特性时任何取决于输入信号的幅度的。在AGC系统中，关键时对暂态响应的控制，一般需要更复杂的环路。如果可变增