無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)探究

楊正勇 同方電子科技有限公司

前言

信息化時(shí)代背景下，數(shù)據(jù)信息量呈爆炸式增長(zhǎng)，尤其是對(duì)數(shù)據(jù)信息傳輸提出了更高的要求，要保障數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐暾?、快速、安全等。射頻技術(shù)作為一種能夠在空間進(jìn)行輻射的電磁波，將能夠滿足數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)母鞣N要求。因此，研究無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

一、無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)工作基本原理分析

（一）關(guān)于射頻發(fā)射機(jī)工作原理的分析

對(duì)于射頻發(fā)射機(jī)來(lái)講，其作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即：將低頻基帶信號(hào)轉(zhuǎn)化成為高頻射頻，通常要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要用到濾波器、放大器以及調(diào)制器等。首先，由混頻器、濾波器、調(diào)制器對(duì)低頻基帶信號(hào)進(jìn)行處理，具體來(lái)講是由調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行首次解調(diào)，再依托模擬調(diào)制以及數(shù)字調(diào)制的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)；隨后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，這個(gè)環(huán)節(jié)主要是由本振單元進(jìn)行處理，通常來(lái)講無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)中的本振單元是由鎖相環(huán)電路、鑒相器電路、數(shù)字分頻電路組成；完成處理之后再將信號(hào)繼續(xù)傳輸?shù)交祛l器之中；最后，由濾波器完成濾波處理。

射頻發(fā)射機(jī)中DAC 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出模擬信號(hào)的功能，先將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)，再由濾波器進(jìn)行濾波處理，目的是將各類干擾信號(hào)進(jìn)行有效清除。需要注意的是，在對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行選擇的過(guò)程中，要基于無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)實(shí)際需求進(jìn)行明確，基本組成部分有射頻濾波器、鏡像抑制濾波器以及信道選擇濾波器等。

對(duì)于混頻器來(lái)講，其作用是對(duì)頻率進(jìn)行上變頻，能夠?qū)⑿盘?hào)進(jìn)行頻率變化，也就是將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成為高頻信號(hào)。

（二）關(guān)于射頻接收機(jī)工作原理的分析

接收機(jī)顧名思義就是對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行接受，并經(jīng)過(guò)相關(guān)的解調(diào)使其轉(zhuǎn)換成為低頻信號(hào)。在無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)之中，接收信號(hào)的部位是天線，依托天線對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行接收，并將其傳輸?shù)絃NA，由其實(shí)現(xiàn)放大，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理，例如，放大、變頻、濾波、解調(diào)等，這樣就可以將模擬的信號(hào)成功轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，隨后由系統(tǒng)的后端設(shè)備進(jìn)行對(duì)應(yīng)的分析與處理。

二、無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法概述

（一）FPGA 外圍電路設(shè)計(jì)

靈活性較高、處理能力強(qiáng)、效率高、容量大，使得FPGA 成為實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的主要手段之一。FPGA 之中有很多個(gè)LCA（邏輯單元陣列），其每一個(gè)邏輯單元陣列之中還配置了進(jìn)行編程的互聯(lián)縱貫線、可有效輸入輸出的模塊（IOB）以及能夠進(jìn)行靈活配置的邏輯模塊（CLB）。在對(duì)無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)，依托FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)發(fā)揮各個(gè)基本單元模塊的功能，一方面能夠基于實(shí)際需求對(duì)電路進(jìn)行組合，并確保電路成為時(shí)序電路；另外一方面，其中的組合邏輯能夠借助小型查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于時(shí)序邏輯來(lái)講，同樣可以依托查表與D 觸發(fā)器的輸入端進(jìn)行連接，基于D 觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)作用的支持下，可以將其他邏輯電路或者還是IO 口進(jìn)行有效驅(qū)動(dòng)，確保其能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在對(duì)模塊之間進(jìn)行連接時(shí)，通常是借助擁有編程功能的金屬線來(lái)實(shí)現(xiàn)，金屬線可以互連，又將其與外部的IO 口進(jìn)行連接，然后對(duì)編程數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，使其能夠融入到內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元之中，這樣整個(gè)FPGA 的邏輯就全面實(shí)現(xiàn)了。

（二）關(guān)于射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)方法

頻率穩(wěn)定度、調(diào)整特性、互調(diào)衰弱、射頻輸出頻譜、輻射、發(fā)信載頻包絡(luò)、相位誤差、平均載波頻率、頻率誤差等性能指標(biāo)，都將對(duì)射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮到發(fā)射機(jī)的調(diào)制處理能力是借助功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然后由其對(duì)信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變與處理，最后由天線將信號(hào)發(fā)射出去。

具體設(shè)計(jì)需要包括放大電路與晶體振蕩電路。在對(duì)放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要結(jié)合實(shí)際需求確定三極管，這樣才能對(duì)電阻值進(jìn)行合理調(diào)整，從而確保電路內(nèi)部工作電壓保持穩(wěn)定。射頻發(fā)射機(jī)的晶體震蕩電路設(shè)計(jì)通常設(shè)計(jì)成為聯(lián)晶體震蕩電路，但是需要注意的是晶體的質(zhì)量與振子結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)振蕩性能產(chǎn)生一定的影響。因此，也可以選擇克拉潑振蕩電路，作為電容反饋三點(diǎn)式振蕩器來(lái)講，其穩(wěn)定性非常好，因此在射頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中被經(jīng)常使用。

（三）關(guān)于射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法

在對(duì)射頻接收機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)通信系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行分析，例如，信道、頻率等方面都是必須考慮的因素。第一，嚴(yán)格按照接收機(jī)的頻率、工作信道等因素，對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行明確。（1）在對(duì)濾波器階數(shù)、噪聲系數(shù)、信道增益等方面進(jìn)行明確時(shí)，建議從根據(jù)射頻前端電路之中濾波器的中心頻率進(jìn)行確定；（2）混頻器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮中頻頻率，同時(shí)滿足接收機(jī)工作頻率與本振頻率的要求，并對(duì)混頻器的隔離度進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注；（3）以前端設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)搭建相關(guān)電路，例如，前端電路、下變頻電路、中頻電路等。射頻發(fā)射機(jī)的前端電路主要是由濾波器與放大器構(gòu)成；又例如，下變頻電路，主要是由混頻器、移相器、功分器等部分組成；對(duì)于中頻電路來(lái)講，主要由中頻放大器、中頻濾波器和數(shù)控衰減器組成，通常中頻濾波器要選用兩級(jí)帶通濾波器級(jí)聯(lián)的模式；數(shù)控衰減器能實(shí)現(xiàn)信道的增益控制，從而便完成了整個(gè)射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)。

（四）關(guān)于天線的設(shè)計(jì)方法

由于天線是收發(fā)電磁波的主要載體，因此設(shè)計(jì)需要滿足這些要求：第一，需要在天線附近形成位移電流，那么就需要借助電場(chǎng)進(jìn)行高速變化才能實(shí)現(xiàn)。電磁波的空間輻射通常在借助位移電流并在空間之中不斷推進(jìn)從而達(dá)成目標(biāo)。這里位移電流的空間推進(jìn)實(shí)際能力，與天線的電源頻率有著密切的關(guān)系，也就是說(shuō)電源頻率越高，那么其輻射能力就更強(qiáng)。第二，要確保輻射電波的穩(wěn)定性，通常要將天線設(shè)計(jì)成為帶電的開(kāi)放性結(jié)構(gòu)。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展以及人們?cè)跀?shù)據(jù)信息方面的需求，從而對(duì)無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。本文從無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理、設(shè)計(jì)以及測(cè)試等方面進(jìn)行分析，從而明確了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的技術(shù)要點(diǎn)以及測(cè)試要點(diǎn)。當(dāng)然，在人們需求日益變化的趨勢(shì)下，還需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際情況對(duì)無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能實(shí)現(xiàn)性能的有效提升，并獲得使用者的認(rèn)可以及應(yīng)用。