無線射頻發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張仕忠 鐘俊森 張立立

摘要：近些年隨著以O(shè)FDM技術(shù)為主的第四代移動(dòng)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，第五代移動(dòng)通信技術(shù)呼之欲出，這些技術(shù)對(duì)于通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能提出了更高的要求，信道帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率、信噪比這些指標(biāo)必須有大幅提升才能滿足傳輸要求，同時(shí)以手機(jī)為主的通信電子設(shè)備的便捷化、智能化、微型化更是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。射頻發(fā)射機(jī)作為通信系統(tǒng)最前端的部分，是整個(gè)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此發(fā)射機(jī)性能的不斷優(yōu)化就顯得尤為重要。文章以模塊化的方式給出了一套發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括語音放大濾波電路、調(diào)制電路、FPGA振蕩電路、帶通濾波器和高頻功率放大電路，經(jīng)過實(shí)際搭建電路測試，該套設(shè)計(jì)方案性能良好。

關(guān)鍵詞：OFDM;射頻發(fā)射機(jī);FPGA;調(diào)制

中圖分類號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0034-03

射頻是一種特定頻率的電磁波，可在自由空間內(nèi)輻射。要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，必須采用無線傳輸，因此射頻技術(shù)是當(dāng)代移動(dòng)通信的基礎(chǔ)。射頻通信技術(shù)具有寬頻帶、高信息容量、體積小、可用頻譜多、干擾小等特點(diǎn)，在無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。射頻發(fā)射機(jī)位于無線通信系統(tǒng)的最前端，優(yōu)良的性能對(duì)于保證通信質(zhì)量尤為重要。因此基于無線通信射頻發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的重要性，對(duì)于其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷優(yōu)化很有必要。

1射頻發(fā)射機(jī)總體設(shè)計(jì)

射頻發(fā)射機(jī)主要任務(wù)是完成基帶信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制，將其變?yōu)橥◣盘?hào)并搬移到所需的頻段上且有足夠的功率發(fā)射，主要包括音頻放大濾波、振蕩器、調(diào)制器、混頻器、高頻功率放大、帶通濾波器和天線幾部分。發(fā)射機(jī)的方案大致可以分為兩種：一是將調(diào)制和上變頻合二為一，在一個(gè)電路中完成，這稱為直接變換法。二是將調(diào)制和上變頻分開，先在較低的中頻上進(jìn)行調(diào)制，然后將已調(diào)信號(hào)上變頻搬移到發(fā)射的載頻上，這稱為兩步變換法。發(fā)射機(jī)總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

2各模塊設(shè)計(jì)原理及方案

2.1增益可調(diào)音頻放大濾波設(shè)計(jì)方案

濾波電路由截止頻率為300Hz的高通濾波器和截止頻率為3400Hz的低通濾波器構(gòu)成，使用具有優(yōu)良音頻性能的超低失真，低噪聲運(yùn)算放大器芯片OPA2134。

2.2振蕩器設(shè)計(jì)方案

振蕩器作為混頻器的本振源，產(chǎn)生正弦波作為本振信號(hào)送入混頻器，從能量的觀點(diǎn)來看，正弦波振蕩器是不需要輸入信號(hào)控制就能自動(dòng)的將直流電源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟l率和振幅的正弦交變能量的電路，本設(shè)計(jì)方案采用FPGA產(chǎn)生固定頻率100kHz的正弦波作為調(diào)制用的本振源，使用FPGA數(shù)字方式做本振源產(chǎn)生的正弦載波頻率穩(wěn)定且誤差較小，有利于保證發(fā)射機(jī)可靠性以及頻率的穩(wěn)定性。

在一個(gè)正弦波上取特定個(gè)數(shù)的點(diǎn)，然后將每個(gè)點(diǎn)的取值存放在FPGA的ROM中，通過在代碼里例化ROM，將ROM里每個(gè)點(diǎn)的取值依次輸出，就能得到特定頻率的穩(wěn)定正弦波。FPGA產(chǎn)生正弦波源核心代碼如下：

2.3調(diào)制電路設(shè)計(jì)方案

在通信中，調(diào)制是把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成通帶信號(hào)的過程。這種轉(zhuǎn)換就是使載頻波的某個(gè)參數(shù)隨基帶信號(hào)而變化。用連續(xù)基帶信號(hào)使載波的某個(gè)參數(shù)（幅度、頻率、相位）連續(xù)變化的調(diào)制方式稱為模擬調(diào)制。當(dāng)被控制的載波參數(shù)為幅度時(shí)，稱為幅度調(diào)制，當(dāng)被控制的載波參數(shù)為頻率或相位時(shí)，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。幅度調(diào)制包括普通調(diào)幅（AM）、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSBSC）和單邊帶調(diào)幅（SSBSC）。

由于與AM信號(hào)相比，如果發(fā)射機(jī)輸出功率相等，則DSB發(fā)射機(jī)發(fā)出的信息能量遠(yuǎn)比AM多，即功率利用率高，且原理簡單，用乘法器+帶通濾波器的方式即可實(shí)現(xiàn)。

2.4帶通濾波器設(shè)計(jì)方案

由于相比于AM調(diào)制，DSBSC調(diào)制節(jié)省了功率，但沒有節(jié)省頻帶，因此信號(hào)帶寬與AM調(diào)制波相同，BW=2F（F為調(diào)制信號(hào)的頻率）。當(dāng)載波頻率為100kHz時(shí)，DSBSC的頻帶在96.6-103.4kHz之間，因此該頻帶寬度為帶通濾波器的通帶，帶通濾波器使用運(yùn)放芯片OPA2134，采用高通+低通濾波器的設(shè)計(jì)方式。電路設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2.5混頻器設(shè)計(jì)方案

從頻域角度看，混頻是一種頻譜的線性搬移，輸出中頻信號(hào)與輸入射頻信號(hào)的結(jié)構(gòu)相同，唯一不同的是載頻。從時(shí)域波形看，輸出中頻信號(hào)的波形與輸入射頻信號(hào)的波形相同，不同的是載頻功率。在發(fā)射機(jī)中一般用上混頻，它將已調(diào)制的中頻信號(hào)搬移到射頻段。接收機(jī)一般為下混頻，它將接收到的射頻信號(hào)搬移到中頻上?；祛l器同調(diào)制電路一樣，使用AD734乘法器芯片。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.6高頻功率放大器設(shè)計(jì)方案

高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率值，送到天線中發(fā)射，保證在一定區(qū)域中可以收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信網(wǎng)?？梢园凑詹煌姆懂爩?duì)高頻功率放大器進(jìn)行劃分。若按工作頻帶分，可分為寬帶放大和窄帶放大，若按工作狀態(tài)分，可分為線性放大和非線性放大，若按放大器類別分，可分為A、B、C、D、E等類。功率放大電路使用功率放大集成模塊LMl875。

LMl875功放板由一個(gè)高低音分別控制的衰減式音調(diào)控制電路和LMl875放大電路以及電源供電電路三大部分組成，音調(diào)部分采用的是高低音分別控制的衰減式音調(diào)電路，其中的R02，R03，C02，C01，W02組成低音控制電路;C03，C04，W03組成高音控制電路;R04為隔離電阻，W01為音量控制器，調(diào)節(jié)放大器的音量大小，C05為隔直電容，防止后級(jí)的LMl875直流電位對(duì)前級(jí)音調(diào)電路的影響。放大電路主要采用LMl875，由1875，R08，R09，C066等組成，電路的放大倍數(shù)由R08與R09的比值決定，C06用于穩(wěn)定LMl875的第4腳直流零電位的漂移，但是對(duì)音質(zhì)有一定的影響，C07，R10的作用是防止放大器產(chǎn)生低頻自激。電路設(shè)計(jì)及測量結(jié)果如圖4所示。

3電路連接及調(diào)試

3.1增益可調(diào)音頻放大濾波模塊調(diào)試

將音頻放大和濾波兩部分電路連接起來，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波作為輸入信號(hào)，用示波器觀察輸出信號(hào)可知該模塊放大濾波效果良好;波形無失真;調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器到合適的放大倍數(shù)。

3.2振蕩器模塊調(diào)試

由于FPGA以數(shù)字方式產(chǎn)生正弦波振蕩信號(hào)，因此信號(hào)波形和頻率均比較穩(wěn)定，且誤差較小。

3.3調(diào)制電路及帶通濾波器調(diào)試

將振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)和音頻信號(hào)作為調(diào)制電路的兩路輸入信號(hào)，將調(diào)制電路的輸出與帶通濾波器的輸入相連，觀察輸出信號(hào)的波形發(fā)現(xiàn)調(diào)制效果良好;用頻譜儀測得該AM信號(hào)頻率與理論值誤差較小。

3.4混頻電路及帶通濾波器調(diào)試

將調(diào)制電路與帶通濾波器連接在前級(jí)模塊的輸出端，觀察輸出信號(hào)發(fā)現(xiàn)信號(hào)波形無明顯失真;混頻后輸出信號(hào)的頻率與理論值近似相等。

3.5高頻功率放大器調(diào)試

將高頻功率放大器與前級(jí)輸出端相連，調(diào)節(jié)電路參數(shù)使其滿足天線發(fā)射所需功率要求。

4結(jié)束語

隨著無線通信技術(shù)、射頻技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信必將極大地改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，為了滿足用戶對(duì)通信質(zhì)量的更高要求，實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高峰值、智能化的射頻收發(fā)系統(tǒng)必不可少，唯有不斷改進(jìn)、不斷創(chuàng)新才能有所突破。