0 引言
在卫星导航通信系统中，由于卫星与地面距离比较远，卫星上的信号到地面后信号非常小，并且频率比较高，一般的数字系统不能直接处理，需要先经过信号放大及频率变化处理，把信号下变频到合适ADC采样的频率和功率，ADC才能把模拟信号转成数字信号给后面的数字处理单进行解调。从小信号到中频输出此部分的功能电路称为完成的射频通道电路，此部分电路对整体性能起到决定性的影响因素之一。良好的接收射频前端可以把需要的信号频率选择出来，有效地滤除非相干频率；同时也实现完美的小信号放大，拥有极小的噪声系数和高增益。
1 性能指标概述
为满足卫星通信系统需求，接收机性能指标要求如下：
1) 接收射频信号频率：5020±20MHz
2) 输入有用信号的动态范围：-140dBm～-130dBm；
3) 中频输出频率：70±20MHz
4) 噪声系数：≤2.2dB (LNA输入至中频输出)
5) 自动控制增益（AGC）：≥30dB
6) 镜像抑制比：≥30dB
7) 带外杂散抑制：≥45dB
8) 带内杂散抑制：≥40dB
9) 中频相位噪声：≤-60dBc/Hz@100Hz
≤-70dBc/Hz@ 1kHz
≤-80dBc/Hz@10kHz
≤-90dBc/Hz@100kHz
2 系统电路设计
2.1 系统设计框图
图1 接收机系统框图
接收机设计采用模组化设计思路，分为前端低噪放及变频单元。前端低噪放接收到天线的卫星信号，把小信号放大，然后再输送给变频单元进行下变频处理，出来中频信号70MHz，参考时钟预留接口由外部提供10MHz信号。
2.2 LNA模块
低噪声放大单元由2路独立的低噪声放大通路组成，分别完成宽频段宽波束天线的左旋通路低噪声放大、右旋通路低噪声放大。
级联系统的噪声系数计算公式为：NF=NF1+(NF1-1)/G1+(NF2-1)/G1*G2+……。根据计算公式，系统级联后模块的噪声系数主要由射频前端低噪声放大器的噪声系数和放大器增益决定，后级电路存在一定的影响，但相对会比较小，故前级低噪放的噪声系数是一个关键。
两级低噪声放大器可以保证系统的射频前端有足够的增益，降低后级单元对系统噪声系数的影响。独立的低噪声放大单元可以灵活的配置在天线端，减少天线馈线损耗对系统的性能影响。
2.2.1 前级5.02GHz低噪放
前级LNA采用频率高，且需要在较宽频段内保持增益的平坦度，噪声系数要求尽量小。
推荐使用MAAL-011078，其工作频率到6GHz，5020±20MHz的在其工作频率范围内。其性能优越，典型噪声系数为0.7dB，最小增益为18dB，非常适合用于低噪放的前级。
2.2.2 830MHz低噪声放大器
830MHz的低噪声放大器，根据要求带宽要求为40MHz。由于是窄带，放大器的选择会比较广泛。可以选择好线性、稳定性高、功耗小的放大器。
推荐选用sgl-0622z，其本身的增益是比较高的，可以在其输入和输出增加衰减器，既方便在实际调试过程中调节链路增益，也有利于放大器输入和输出的匹配。
2.3 变频单元
变频单元采用二次变频超外差低中频结构。第一次变频把信号变到830MHz，经过滤波及放大后，再经第二次变频到中频70MHz。由于混频器和中频放大器无镜像抑制功能，所以各个通道之间的镜像抑制主要取决于滤波器的带外抑制。
变频电路第一次下变频，通过与4.19GHz本振混频，把射频信号都下变频到830MHz，然后进行滤波和放大。第二级混频器的本振为固定频率760MHz。它与830MHz混频之后输出70MHz。70MHz信号再经过AGC单元和70MHz中频滤波器，输出0dBm左右、带外抑制符合要求的中频信号。
2.3.1 第一次变频本振4.19GHz
4.19GHz本振采用ADF4351实现。其性能优越，可能使用相关的仿真软件辅助设计，通过仿真优化，其性能结果如图2所示，结果为-71dBc/Hz@100Hz、-88dBc/Hz@1KHz、-91dBc/Hz@10KHz、-100dBc/Hz@100KHz、-130dBc/Hz@1MH，满足系统指标需求。
为了滤除谐波，本振的输出同样接有滤波器。通过滤波器可以抑制其谐波波信号，根据S参数仿真结果，其在2f0处的抑制达到32dB，如图2所示：
图2 ADF4351输出4.19GHz时的相位噪声
2.3.2 第二次变频本振760MHz
第二次变频需要支持输出760MHz频率，可以选择LMX2531LQ1515E作为产生760MHz的锁相环芯片。LMX2531工作电流仅为37mA，功耗低、同时共相位噪声性能也非常优越。
借助TI提供的仿真工具来优化设计，参考频率为50MHz，鉴相频率为25MHz，Icp=1.44mA，无源环路滤波器采用四阶设计，环路滤波器带宽取12.523KHz，相位裕度选择55°。仿真LMX2531输出760MHz时的相位噪声可以满足设计要求。
2.4 混频器单元
第一级混频部分采用LTC5552方案，LTC5552是一款3~10GHz的微波混频器，隔离度高并且内置有LO buffer，支持0dBm的本振信号强度。变频插损约为-2dB，在RF和LO输入口，具备50Ω的宽带匹配。中频信号输出频率最高支持到6GHz，应用简单只需要做好输入及输出阻抗匹配即可。本振4.19GHz信号与射频信号5.02GHz经过混频器后，再加带通滤波器得到830MHz下变频信号，同时抑制下一次变频的镜像频率。
第二级混频器采用LT5560方案，其工作频率10MHz到4GHz，内置LO buffer本振输入功率-2dBm，电流典型值为10mA，隔离度达到40dB以上，其应用原理与第一级差不多，简单易上手。本振信号760MHz与第一级下变频的830MHz信号进行混频，再经中频滤波器进行滤波，下变频到中频70MHz，然后再送给后面的AGC单元。
2.5 AGC单元
根据系统要求AGC控制需要大于30dB，可以选用A AD8367，其模拟可变增益为-2.5dB~42dB，范围约为39.5dB，满足系统AGC≥30dB的指标要求。OIP3为29.5dBm，P1dB为8.5dBm，线性性能非常好，满足系统OIP3需求；且芯片内部集成了平方律检波器，无需外部再搭建检波电路，简化设计难度。
AD8367的OIP3随着供电电压提高而增大，如果在调试中需要提高系统的OIP3，可以适当提高把AD8367的供电电压。
3 关键难点技术实现分析
3.1 相位噪声及杂散
在此系统中相位噪声是影响性能的一个关键指标，如何降低相位噪声也是射频通信超外差架构的一个技术难点。
在本振锁相频率源中，影响相位噪声的主要因素有：振荡器自身的噪声、参考源的噪声、环路附加噪声（主要为鉴频/鉴相器的噪声基底）、以及环路带宽和分频比的选择。在数字分频锁相环中鉴频/鉴相器的噪声基底一般高于高性能同频率参考源的噪声（偏离1KHz以外）。因此，在相位噪声的计算中可以忽略参考源噪声的影响（偏离1KHz以外）。
通用选用性能好的时钟源是一个有效提高相噪的手段之王，本设计中采用的频率源时钟为10MHz、稳定度为0.2ppm的恒温晶体振荡器（OCXO）来做时钟源。
以此时钟源在ADS仿真系统中建立系统仿真模型，对输出中频信号进行ADS仿真，其仿真结果：1KHz处相位噪声为-88dBc/Hz，10KHz处相位噪声为-90dBc/Hz，100KHz处相位噪声为-102dBc/Hz，1MHz处相位噪声为-130dBc/Hz，满足指标要求。
3.2 杂散分析
本方案中第一次变频本振所需要的本振称为一本，一本振频率4190MHz；第二次变频本振称为二本，二本振频率760MHz，频率合成器采用小数数分频的方案。一本振的频率比二本振的频率高5倍以上。对接收机的影响主要取决于一本振的相噪。接收通道的杂散主要产生于频率合成器，频率合成器的杂散机制主要有三种：小数杂散、整数边界杂散、参考杂散。单频点宽波束天线通道采用小数分频的方式频率合成，会产生小数分频杂散；频率合成器输出固定频点，也不会产生整数边界杂散；任何旁路、环路的馈通机制都会产生参考杂散。为保证性能PCB布局需确保VCO走线与参考频率、开关电源等频率源的隔离需要足够充分，降低参考杂散。由于本方案采用单频点，只考虑有一个单一通道，参考杂散处理相对容易[3]。并且本方案中采用二次变频的超外差结构，可以在每级之间加上合适的带通滤波器，对一些带外杂散起到有效的抑制作用。
在ADS仿真软件中对系统内的本振信号以及输入信号做五阶的MIX运算仿真，所有杂散都在100dBc以上，符合指标要求。需要注意HB仿真更多只是反应整个通道理想情况下的一些杂散干扰，并没有考虑实际模块内部不同通道之间、晶振的谐波的辐射所形成的杂散。仿真结果仅供参考，实际设计时还是要重点关注不同通道间的隔离，以及时钟的屏蔽等等。
3.3 镜像频率抑制分析
3.3.1 镜像频率
镜像频率是影响接收机性能的一个关键指标，此通信系统中要求设计镜像频率抑制比要求为≥30dB。通过在低噪放前端及在各级混频之前采用带通滤波器对镜像信号进行抑制。第一级由于镜像频率间隔较远，所以镜像频率可以起到很大的抑制作用，且对带内平坦度影响不大。最后一级混频，中频信号只有70MHz，镜像频率与需求信号频率比较接近只间隔140MHz。要求镜像滤波器带宽窄，带内平坦度和群时延会受到一定的影响[2]。
本方案采用超外差二次混频的设计方案，超外差二次混频结构的优点是可以规划系统的镜像频率，使系统的镜像频率远离混频器的射频信号。镜像频率滤波器加在混频器的射频端口处，可以得到极高的镜像频率抑制。
使用高通或带通滤波器，只要在一次混频前，滤除3360MHz的镜像频率信号，在二次混频前700MHz的镜像频率信号，就能得到镜像频率抑制。由于射频频率与镜像频率相隔较远，滤波器实现相对容易。
3.3.2 滤波器选择
5.02GHz带通滤波器可以选用BPGE-542R+。其带内插损小，带外抑制高，特别对此方案中的镜像频率的抑制非常理想，其对镜像频率3.36GHz较好的抑制作用，其抑制超过20dB以上。
经第一次变频后，可以采用带通声表滤波器SAW831B42B，此款滤波器工作频率为：830MHz±20MHz，能够很好的满足相关的指标要求，其在镜像频率700MHz有超过30dB以上的抑制，非常适合。
70MHz带通滤波器可以采用RBP-75+。带内平坦度在低频段最大为1.64dB。在122MHz以上频率都超过30dB以上抑制，在低频段37MHz以下抑制也超过30dB以上，其中心工作频率为70MHz，工作带宽40MHz，符合设计要求。
4 总结：
本文介绍了一种CN频段卫星通信系统射频接收机电路设计；通过对其关键性能实现进行分析，保证了卫星通信系统需求指标的实现，采用前端低噪放电路和后面变频单元模块化设计简化了接收机的设计难度和降低了设计的复杂度。
参考文献：
[1]陈强.北斗二号抗干扰接收机关键部件的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学，2012.
[2]肖磊. 并行高速通信解调系统中同步技术的研究与实现[D]. 电子科技大学.2017.
[3]虞玲.北斗二号导航信号软件模拟源的研究与实现[D].西安电子科技大学2014.
[4]夏军,林毅, 段红光,等.一种适用于GMR-1移动地面站的低功耗优化方法[J].电子技术应用,2015,41(6):27-30,34.
[5]朱启.北斗导航系统接收机中自动增益控制的设计与实现[D].西安电子科技大学，2011.
