模塊化無線通信射頻接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高韻淇 鐘俊森 張仕忠 張立立

[摘 要] 射頻設(shè)計在無線移動通信設(shè)計中有著重要的地位。隨著微電子技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，射頻電路的集成化程度越來越高，對于無線通信系統(tǒng)，更是提出了高速率、低成本、寬帶寬、小體積的新挑戰(zhàn)。因此，文章基于無線通信射頻技術(shù)的基本原理，對無線通信射頻接收系統(tǒng)進行研究與設(shè)計，將射頻接收機與射頻發(fā)射機進行模塊化，探究每一模塊的結(jié)構(gòu)與原理，從根本上提升每一個?？斓男阅?，實現(xiàn)無線傳輸射頻收發(fā)系統(tǒng)的寬帶寬，高速率，并給出了一套完整可行的無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案。

[關(guān)鍵詞] 無線通信技術(shù);射頻;發(fā)射機;接收機;模塊化

[作者簡介] 高韻淇（1999—），男，遼寧沈陽人，東北大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院在讀本科生，研究方向為無線模擬通信;張立立（1984—），女，遼寧阜新人，碩士，高級實驗師，研究方向為智能控制和無線網(wǎng)絡(luò)。

[中圖分類號] TP393? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0390-03? ? [收稿日期] 2019-11-05

在移動通信的收發(fā)信機[1]中，主要分為射頻級和基帶級兩大部分。射頻部分處理的是寬動態(tài)范圍的高頻模擬信號。射頻是頻率范圍在300kHz-300GHz，可在自由空間內(nèi)輻射的電磁波。射頻通信技術(shù)具有寬頻帶、可用頻譜多、高信息容量、體積小、干擾小等特點，是無線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)。無線通信收發(fā)系統(tǒng)[2] （P8）用于處理通信系統(tǒng)中信號的發(fā)射與接收，位于無線通信系統(tǒng)的最前端，是無線通信技術(shù)的技術(shù)核心。因此，研究無線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的原理[3] （P36），優(yōu)化其設(shè)計方案，對于提升無線傳輸?shù)馁|(zhì)量，改善移動通信的性能尤為重要。本文在《無線射頻發(fā)射機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》研究發(fā)射機[4]的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進行接收機的研究，然后對兩個系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)，本文主要介紹射頻接收機的設(shè)計，以及項目研究的意義。

一、射頻接收機原理及電路設(shè)計

射頻接收機主要通過下變頻的方式從天線接收到的信號中選擇所需要的信號，經(jīng)過兩次下變頻，將其從高頻信號還原為基帶信號，其中最重要的部分為下變頻器。下變頻器[5] （15）將信號頻率和本振頻率混頻后降為頻率固定的中頻信號。模塊化射頻接收機的原理框圖如圖1所示。

射頻接收機的方案基于三個方面的考慮。首先，中頻比信號載頻低很多，在中頻段實現(xiàn)對有用信道的選擇要比在載頻段選擇對濾波器Q值得要求低得多。其次，接收機從天線上接收到的信號電平一般為-120到-100dBm。將如此微弱的信號放大到解調(diào)器或A/D變換器可以工作的電平，一般需要放大100dB以上。為了放大器的穩(wěn)定和避免振蕩，在一個頻帶內(nèi)的放大器，其增益一般不超過50-60dB。采用圖1所示方案，可將接收機的總增益分散到高頻、中頻和基帶三個頻段上。而且，載頻降為中頻后，在較低的固定中頻上做窄帶的高增益放大器要比在載波頻段上做高增益放大器容易和穩(wěn)定得多。其三，在較低的固定中頻上解調(diào)或A/D變換也相對容易。

射頻接收機的主要性能指標(biāo)[6]包括：接收微弱信號的靈敏度、阻塞和雜散響應(yīng)抑制，互調(diào)響應(yīng)抑制、鄰道干擾抑制及雜散輻射，提升射頻接收機的性能指標(biāo)將直接改善移動通信中的無線通信質(zhì)量。

（一）高、中、低頻濾波電路

高頻濾波電路用于選擇信號頻帶，因為帶寬較寬，所以便于設(shè)計。中頻濾波器用于濾除[7]下變頻電路輸出的混合信號中的高頻分量得到中頻分量，完成真正意義上的下變頻。中頻濾波器使用中心頻率為10.7M，帶寬200k的陶瓷濾波器。低頻濾波器用于濾除經(jīng)過包絡(luò)檢波電路后的基頻信號中的干擾信號，得到帶寬在0.3kHz-3.4kHz之間的音頻信號。同射頻發(fā)射機中音頻濾波電路電路，使用OPA134芯片。

（二）高、中、低頻放大電路

根據(jù)射頻接收機的原理，接收機從天線上接收到的信號電平過小，本文中設(shè)計的接收機結(jié)構(gòu)將總增益分散到三個頻段上。高、中、低頻三個頻段的增益分別為54.19dB、36.12dB、16.9dB。其中高頻放大電路是由OPA847芯片構(gòu)成的3個8倍（阻抗匹配后）放大器級聯(lián)而成，中頻放大電路是由OPA847芯片構(gòu)成的2個8倍（阻抗匹配后）放大器級聯(lián)而成。

OPA847芯片將極高的增益帶寬和大信號性能與超低輸入噪聲電壓相結(jié)合，3.9G的增益帶寬積與極低的輸入電壓和電流噪聲的性能使其成為寬帶跨阻應(yīng)用的理想放大器，使用OPA847構(gòu)成的8倍放大器使得射頻接收機依然擁有200M以上的帶寬。

（三）下變頻電路（一次變頻）

下變頻電路是射頻接收機中第一次變頻電路，由天線接收到的載頻為50M的AM信號與39.3M的本振信號混頻后得到載頻為10.7M與89.3M的混合信號，經(jīng)過中頻濾波器將高頻分量濾除得到中頻AM信號實現(xiàn)射頻接收機的一次變頻。

（四）包絡(luò)檢波電路（二次變頻）

包絡(luò)檢波電路是射頻接收機中的解調(diào)電路，將音頻信號從中頻AM信號中解調(diào)出來完成射頻接收機的二次變頻。

設(shè)計包絡(luò)檢波電路應(yīng)注意以下三點：

1.時間常數(shù)應(yīng)滿足：

低通濾波器的時間常數(shù)遠大于載波周期，即電容C對高頻載波近似短路，濾除高頻分量。低通濾波器的時間常數(shù)小于調(diào)制信號周期，即低通濾波器的通頻帶讓低頻調(diào)制信號通過。

2.不產(chǎn)生惰性失真：（ma為調(diào)制深度）

3.不產(chǎn)生負峰切割失真：

由上述公式可看出，調(diào)制深度m越小，越不容易產(chǎn)生惰性失真和負峰切割失真，包絡(luò)檢波電路得到的音頻信號越完整。

（五）緩沖電路

由于包絡(luò)檢波電路末端電容C3易與低頻放大器前端電阻構(gòu)成RC濾波電路對信號的傳輸造成影響，故在包絡(luò)檢波電路與低頻放大電路之間增加一個跟隨器使得信號平穩(wěn)傳輸。

二、收發(fā)系統(tǒng)電路連接與調(diào)試

（一）收發(fā)系統(tǒng)輸出測試

將《無線射頻發(fā)射機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》中的發(fā)射機與本文設(shè)計接收機相連，進行系統(tǒng)調(diào)試。

用示波器測試射頻發(fā)射機上變頻電路模塊，如圖2所示。射頻發(fā)射機上變頻電路模塊輸入輸出信號對比，藍色信號為載波頻率100kHz，基波頻率2kHz的AM信號，黃色信號為上變頻后的載波頻率200MHz，基波頻率2kHz的AM信號，信號完整，無明顯失真。

用示波器測試射頻接收機包絡(luò)檢波電路模塊，如圖3所示。射頻接收機包絡(luò)檢波電路模塊輸入輸出信號對比，黃色信號為載波頻率10.7MHz，基波頻率2kHz的AM信號，藍色信號為2kHz的語音信號，信號完整，無明顯失真。

（二）射頻收發(fā)系統(tǒng)無線傳輸調(diào)試

將射頻發(fā)射機與接收機各模塊級聯(lián)，在發(fā)射機信號輸入端播放音頻信號，信號通過天線傳輸，與此同時可在接收機音頻播放端聽到相同的音頻信號，信號聲音完整，無明顯失真，射頻收發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)無線傳輸。圖4為示波器所顯示的模塊化射頻收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送端與接收端的音頻信號。

藍色信號為模塊化射頻發(fā)射機輸入端頻率為2kHz的正弦波語音信號。黃色信號為模塊化射頻接收機輸出端信號，由圖可見輸出信號與輸入信號的頻率相同，且無明顯失真，無線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)工作性能良好。系統(tǒng)實物如圖5所示。

三、模塊化無線通信系統(tǒng)開發(fā)研究意義

本課題的研究目的是提供一種可以便捷調(diào)幅，并鞏固已學(xué)的理論知識，能夠使我們建立無線電收發(fā)機的整機概念，了解接收機整機各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計、計算接收機的各個單元電路。初步掌握小型調(diào)幅波收發(fā)機的調(diào)整及測試方法。該調(diào)幅信號處理系統(tǒng)是以提高學(xué)生創(chuàng)新實驗?zāi)芰团浜蠀⒓尤珖髮W(xué)生電子設(shè)計大賽和《通信電子線路》課程的實驗教學(xué)內(nèi)容為目的而研發(fā)的，具有技術(shù)先進、實用性和通用性強、易操作、制作成本低等優(yōu)點，各功能模塊相對獨立，十分方便二次開發(fā)和電子系統(tǒng)設(shè)計培訓(xùn)，主要研究意義從以下幾個方面考慮。

（一）服務(wù)于電子競賽

該模塊化射頻接收機實驗系統(tǒng)是從往屆賽題中提取出來的幾個經(jīng)典項目，將硬件的開發(fā)融入賽題的設(shè)計和實現(xiàn)，其創(chuàng)意與具體的功能實現(xiàn)來源于電子設(shè)計大賽，服務(wù)于電子設(shè)計大賽。并且訓(xùn)練內(nèi)容和之后要參加的比賽直接相關(guān)，學(xué)生所獲取的經(jīng)驗可以立即派上用場，對提高本校比賽成績具有很大幫助。

（二）應(yīng)用于實驗課程

將開發(fā)的模塊化射頻接收機實驗系統(tǒng)，制作成實驗箱，用于通信電子線路課程的實驗教學(xué)內(nèi)容。模塊內(nèi)容設(shè)計不僅兼顧電子競賽的設(shè)計內(nèi)容，而且還緊貼通信電子線路課程教學(xué)大綱中對于實踐內(nèi)容的要求。通過模塊中改變開關(guān)或者連接方式的變化，即可切換對課程和競賽的不同要求。

（三）立足于學(xué)生創(chuàng)新

模塊化設(shè)計理念為學(xué)生設(shè)計提供了資源，學(xué)生可以獨立設(shè)計方案，替換系統(tǒng)中的模塊，在系統(tǒng)中測試所設(shè)計模塊的性能，為培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力搭建了一個多功能的實驗平臺。參加本次項目的同學(xué)可以通過設(shè)計并制作本系統(tǒng)得到創(chuàng)新思維的實際訓(xùn)練;而未參與的同學(xué)可以利用成形的實驗系統(tǒng)進行基礎(chǔ)訓(xùn)練與進一步自主創(chuàng)新開發(fā)，對學(xué)生創(chuàng)新能力提高大有裨益。

（四）實踐于企業(yè)推廣

模塊化射頻接收機實驗系統(tǒng)的研發(fā)，也借助于相關(guān)企業(yè)需求的推動，系統(tǒng)的成功設(shè)計，有利于技術(shù)轉(zhuǎn)讓和通過企業(yè)的大范圍推廣。

四、結(jié)束語

本文通過對無線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計進行研究，將射頻接收機與發(fā)射機模塊化，針對每一模塊進行優(yōu)化升級，提升整個收發(fā)系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)無線傳輸射頻收發(fā)系統(tǒng)的寬帶寬，高速率，低噪聲。為無線通信射頻技術(shù)的研究提供一定的支持與參考。

參考文獻

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