UHF頻段無線收發(fā)信機射頻前端設計研究

【摘要】在工業(yè)設計與管理領域，需要將主機的指令發(fā)送到各分機，并能夠?qū)崟r收到分機的情況反饋和問題反映。在物理空間距離較遠時，搭建有線收發(fā)信機難度較大，而無線收發(fā)信機被廣泛應用。基于UHF頻段的無線收發(fā)信機具有抗干擾能力強、收發(fā)一體、點對點傳送等優(yōu)點，因此被廣泛應用于工業(yè)設計與管理領域。本文從簡要論述UHF頻段無線收發(fā)信機概況入手，著重分析了實現(xiàn)該收發(fā)信機的關鍵技術，最后詳細闡述了射頻前端設計方法與流程。

【關鍵詞】無線；收發(fā)信機；UHF；射頻前端

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.07.008

利用微波技術進行數(shù)據(jù)傳輸，具有傳輸無延遲、攜帶能量大、硬件實現(xiàn)較為簡單等優(yōu)點，其中UHF頻段和VHF頻段在實際中應用最為廣泛。將UHF頻段無線傳輸技術應用于收發(fā)信機的設計實現(xiàn)中，對于工業(yè)遠程控制和測量場合的遙測、遙感及遙控具有非常重要的作用。

本文按照從理論到實際的思路，分別對UHF、無線收發(fā)信機、無線通信、保密通信、射頻前端芯片等相關概念和關鍵技術分別做了深入闡述，從硬件實現(xiàn)、軟件實現(xiàn)、測試維護三個層面論述了UHF頻段無線收發(fā)信機設計實現(xiàn)流程及方法。

1. UHF頻段無線收發(fā)信機概述

1.1 UHF概述

UHF是特高頻無線電波的縮寫，是頻率為300MHz～3000MHz，波長在1m～1dm的無線電波，屬于微波的一種。微波是無線電波的一種，是波長較短而頻率較高的部分，根據(jù)波長與頻率的不同，微波劃分為不同的頻段，除了波長為分米級的特高頻（UHL），還有波長為厘米級的超高頻（SHL）、毫米級的極高頻（EHL）、絲米級的至高頻（THL）。因為波長是1分米到1米之間，因此UHL也被稱為分米波。

UHL被廣泛應用于廣播電視節(jié)目傳播、移動電話通信、業(yè)務無線電、軍用航空無線手機，非高功率無線對講機等領域。UHL具有較低的功率輸出，具備大型波束縛，有利于實現(xiàn)全球范圍的聯(lián)網(wǎng)使用。UHL具有較強的信號穿透性，在城市中能夠不受高樓大廈林立的影響，并可廣泛運用于等高線密集區(qū)域、惡劣天下條件、茂密的原始森林等處，UHL終端較輕便于攜帶，便于單人手持式使用。

1.2 收發(fā)信機概述

收發(fā)信機是指收信和發(fā)射兩部分都裝置在一個機箱或機架上的通信設備，適用于移動電臺。業(yè)余無線電通信縮語XCVR，發(fā)射功率較小，適用于移動電臺。有線收發(fā)信機是使用光纜連接線、雙絞線等形式將發(fā)送端與接收端進行相連，是傳統(tǒng)的使用方式。無線收發(fā)信機是使用電磁波的形式傳遞信息，通過無線網(wǎng)絡形式進行發(fā)送端與接收端的互聯(lián)互通，其中使用微波進行無線連接并收發(fā)信息是最常用的形式。

1.3 UHF頻段無線收發(fā)信機的特點

UHF頻段無線收發(fā)信機融合了微波通信特別是UHF頻段通信和無線通信領域的所有優(yōu)勢，并將發(fā)信機與收信機融合為一體，具有模塊集成度高、相關基礎理論較為成熟、芯片可選擇度高、發(fā)射功率大、接收靈敏度高、功耗較小、便于運輸和轉移等優(yōu)勢。

2. UHF頻段無線收發(fā)信機關鍵技術分析

UHF頻段無線收發(fā)信機的設計需要運用多種技術，融合通信學、密碼學、計算機學等多學科領域知識和技術。

2.1 無線通信技術分析

無線通信是和有線通信相對而言的，是指不適用導線或線纜架設通信線路，而是利用電磁波、無線電等進行的距離不一的通信技術，如人們常用的短距離無線通信技術Wi-Fi就是根據(jù)IEEE公布的802.11標準制定的。本文使用的是微波無線通信技術，利用其中的UHF頻段在發(fā)送者和接收者中建立雙向的無線通道，使得發(fā)信與收信融為一體，能夠?qū)崟r進行信息、數(shù)據(jù)等的發(fā)送與接收。

2.2 保密通信技術分析

保密通信技術，是發(fā)送者將通信載體及其數(shù)據(jù)進行加密傳送，接收者接收涉密數(shù)據(jù)后，按照一定的密鑰進行解密得出正確信息的技術。常用的保密通信技術有密碼技術、數(shù)字水印技術、混沌通信技術和量子通信技術。

本文使用基于ASCII碼的數(shù)字水印圖像生成技術，將要傳送的信息無論哪種語言，事先翻譯成英語，每個單詞之間確保只有一個空格，整個文本有起始標志和結束標志，將每個字母、空格、數(shù)字、特殊符號、起止標志等轉換成對應的ASCII碼。由于ASCII碼的范圍在0到127之間，每個碼值轉換成8位的二進制數(shù)，設置密鑰k，代表數(shù)字水印圖像生成時取用二進制數(shù)組的起始位置。事先設定數(shù)字水印圖像寬度和高度相等，均為w，根據(jù)與要傳輸數(shù)據(jù)容量的對應關系，使w是剛好能夠容納傳輸數(shù)據(jù)的最小值。按照從左至右從上至下的順序，根據(jù)二進制數(shù)組循環(huán)取出其中的二進制數(shù)據(jù)，轉換成二進制圖像的像素，從而生成二值數(shù)字水印圖像。對于圖像沒有涵蓋到傳輸數(shù)據(jù)信息的部分，可以使用全部設置為0或者1，或者使用間隔設置固定像素的方式，從而增加密鑰復雜度。接收者接收到二進制數(shù)字水印圖像后，必須知道密鑰K才能按照上述過程的逆操作進行解密，得出要傳送的原始數(shù)據(jù)。

2.3 射頻前端芯片技術分析

芯片技術被廣泛應用于射頻前端的設計中去，通過將眾多細分功能集中在集成電路中，減少占用的空間和重量，提升用戶使用體驗度。與日常廣泛接觸的處理器芯片不同，不是通過逐步將制程縮小化實現(xiàn)產(chǎn)品技術的更新?lián)Q代，而是通過新材料、新設計、新工藝的結合進行技術升級。具體到本文，在射頻前端所使用的芯片應該集成從寄存器讀取數(shù)據(jù)、將接收數(shù)據(jù)保存到寄存器、將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號、信號擴大、將數(shù)字信號轉變?yōu)槟M信號等功能。通過不同的開關組合，實現(xiàn)不同細分領域作用的排列組合，滿足多種設計編程需要。

3. UHF頻段無線收發(fā)信機射頻前端的設計實現(xiàn)

射頻前端的設計實現(xiàn)，主要包括發(fā)信機與收信機部分的設計實現(xiàn)，并通過一定形式將它們聯(lián)系成一個有機的整體。

3.1 UHF頻段無線收發(fā)信機射頻前端的整體構造

前端電路主要包括發(fā)信機（發(fā)射機）、收信機（接收機）、天線和饋線以及一些輔助或支持電路等。由于前端電路一般工作于射頻（高頻），因此，前端電路通常稱為射頻前端或射頻收發(fā)器（收發(fā)信機）。

發(fā)信機將調(diào)制后的信號變換到頻率較高的載波上，使所傳送信號的時域或頻域的特性更好地滿足信道的要求，與信道特性相匹配。

接收機將動態(tài)范圍很寬的射頻信號由高頻變換到適宜處理的低頻。接收機接收到的是高頻、小信號、大動態(tài)范圍和低信噪比的信號，因此，接收機通常采用高精度的濾波器、低噪聲放大器和混頻器等模擬電路。

本文設計實現(xiàn)的一種UHF頻段無線收發(fā)信機整體構造如圖1所示。圖中標注的前端電路及也被人們稱為射電頻段，是UHL無線收發(fā)機中電路最為復雜，功能最為齊全的部位，是決定整個收發(fā)信機設計是否成功的最關鍵因素。

3.2 UHF頻段無線收發(fā)信機射頻前端發(fā)信機的設計實現(xiàn)

發(fā)信機的主要作用是將模擬信號轉換為數(shù)字信號、向上變頻、信息預處理、發(fā)送信息等。其中將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號的過程又稱為調(diào)制，調(diào)制與上變頻密切相關，如果能夠在一個電路內(nèi)部完成，則稱其為直接變換，如果需要在兩個電路里完成，則稱之為量此變換結構。

直接變換結構就是調(diào)制和上變頻在一個電路里完成（通常在射頻上），實現(xiàn)比較簡單，但發(fā)射后的強信號會泄露或反射回來影響本地振蕩或載波的穩(wěn)定。兩次變換結構將調(diào)制和上變頻（或倍頻）分開進行，可避免這一缺點。

發(fā)信機的種類最多，但一般以調(diào)制方式作為分類依據(jù)，如AM發(fā)信機、FM發(fā)信機、單邊帶（SSB）發(fā)信機等。發(fā)信機的調(diào)制可以采用基帶調(diào)制、中頻調(diào)制、射頻直接調(diào)制等，目前中頻調(diào)制用得較多。上變頻也可以采用一次變頻或二次變頻等。不論調(diào)制方式如何，但其組成基本相同，成鏈狀結構。其特點是調(diào)制在中頻上實現(xiàn)，具有較好的調(diào)制特性與設備兼容性。本文設計的發(fā)信機結構如圖2所示。

3.3 UHF頻段無線收發(fā)信機射頻前端接收機的設計實現(xiàn)

接收機要完成的功能有將數(shù)字信號轉變?yōu)槟M信號，盡量去除信道中的噪聲，提升信噪比，并將傳遞過來的信號按照實際需求擴大，將接收的信息保存到寄存器上，并對發(fā)送者發(fā)送反饋信息。使用保密通信技術的收信機，還需要同步接收密鑰數(shù)據(jù)或者矩陣。接收機要正確提取出發(fā)送者發(fā)送的信息加密之前的內(nèi)容，并能夠恢復成原始數(shù)據(jù)加密之前的內(nèi)容，保持大小、格式及順序完全不變。

接收機的結構主要有超外差式（Super Heterodyne）、鏡頻抑制式、直接變換式（Direct Conversion）或零中頻式（Zero IF）和數(shù)字中頻式（Digital IF）等幾種，長期以來，超外差式接收機都是接收系統(tǒng)的主流方式，廣泛應用于不同領域和場合之中。本文即使用超外差方式設計接收機，其具體組成如圖3所示。

3.4 UHF頻段無線收發(fā)信機的實驗仿真

將該UHF頻段無線收發(fā)信機當成嵌入式軟件系統(tǒng)的設計實現(xiàn)過程，因此利用軟件工程思想對其進行模擬你仿真測試。設置1臺無線收發(fā)信機為主服務器，5臺為客戶端，在主服務器與客戶端之間分別建立雙向的UHF頻段無線通信信道。利用黑盒測試理論，只考察通信正確率、發(fā)送接收時間、單位時間傳遞信息容量等，而對內(nèi)部具體如何實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)、信息加載、加密解密等過程不予考慮。由于本系統(tǒng)的實現(xiàn)利用了基于ASCII碼的數(shù)字水印圖像生成技術，實現(xiàn)了信息的加密傳輸，加密解密過程自然計算在發(fā)送接收過程中。測試標的為10組，每組為1000到10000個漢字字符，按照1000的等差遞進。每組中有20個不同內(nèi)容的具體文檔信息組成，盡可能多地含有一些特殊字符、數(shù)學公式、物理化學符號等，盡量保證測試覆蓋內(nèi)容的廣泛性。使用主服務器將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到5臺客戶端，并從客戶端再將所有原始數(shù)據(jù)發(fā)送回來，計算同一過程的平均數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，每組在傳送正確率，使用時間，單位時間傳送容量等方面的平均表現(xiàn)如表1所示。其中傳遞正確率是在所有密鑰均正確的情況下的正確率。

從仿真數(shù)據(jù)可知，該UHF頻段無線收發(fā)信機能夠完全實現(xiàn)正確傳輸與接收，能夠基本滿足實時傳輸接收要求，并且隨著單次傳輸容量的增大，傳輸速度不斷增快，每秒傳輸容量不斷增加，表明適宜大容量信息的單次發(fā)送與接收。該UHF頻段無線收發(fā)信機的傳輸速率還需要進一步提升，方能適應軍事、航天、交通等對實時性要求特別高的領域。另外，如何增加仿真測試標的，增加圖像、文件、視頻、壓縮包等的發(fā)送接收模擬仿真，應成為下步工作重點。但整體來看，該UHF頻段無線收發(fā)信機實現(xiàn)了預期目的，能夠滿足一般領域應用需求，具備良好的應用前景。

4. 結束語

本文設計實現(xiàn)了一種基于UHF頻段的無線收發(fā)信機，詳細論述了其射頻前段實現(xiàn)的關鍵原理與具體流程。經(jīng)過測試，本收發(fā)信機網(wǎng)絡連接穩(wěn)定、傳遞信息真實無誤、實時性高、抗干擾能力強、保密性能好，能夠滿足短距離點對點傳輸需要。在下步的研究工作中，要著重從提升實時傳送容量、增強傳輸距離、拓展傳輸方式等領域進行深入研究，并增強該無線收發(fā)信機的傳播速度和單位時間傳播量，不斷提升該收發(fā)信機的功能質(zhì)效和使用范圍。

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作者簡介：張燕翔，湖南湘潭，工程師，研究方向：射頻微波信道.