無(wú)線通信中射頻收發(fā)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 郭 洋 鄭超捷

在當(dāng)前通信技術(shù)以及信息技術(shù)的發(fā)展背景下，蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)得到跨越式突飛猛進(jìn)的發(fā)展進(jìn)步，并受人矚目。對(duì)于通信系統(tǒng)而言，其功能的實(shí)現(xiàn)需要各種重點(diǎn)電子線路實(shí)現(xiàn)，而各種電子線路又緊緊依托于通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，因此必須對(duì)通信系統(tǒng)及其接收機(jī)、發(fā)射機(jī)進(jìn)行深入研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.通信系統(tǒng)的組成

隨著通信技術(shù)以及通信系統(tǒng)在人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，其在人們生產(chǎn)生活中的作用逐漸凸顯。首先是進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，能夠?qū)鬏斝盘?hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為能夠進(jìn)行信道傳輸?shù)男盘?hào)。通過(guò)通信系統(tǒng)圖能夠看出，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。在通信系統(tǒng)中一般傳輸?shù)氖窃诹泐l附近的低頻信號(hào)，包括以模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)為代表的基帶信號(hào)（baseband）。經(jīng)過(guò)調(diào)制之后的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)（passband）。最終通帶信號(hào)在整個(gè)通信系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸，在接收機(jī)中接收信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，轉(zhuǎn)換為原始信號(hào)，接收機(jī)的主要任務(wù)即解調(diào)。

2.無(wú)線通信中射頻收發(fā)系統(tǒng)的工作原理

2.1 射頻發(fā)射機(jī)的工作原理

圖1 射頻發(fā)射機(jī)工作原理圖

射頻發(fā)射機(jī)的主要功能是將低頻基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻射頻，如圖1所示，一般需要經(jīng)過(guò)調(diào)制器和放大器、濾波器等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。低頻基帶信號(hào)首先經(jīng)過(guò)調(diào)制器以及濾波器、混頻器等進(jìn)行信號(hào)處理。首先經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的低頻基帶信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)制器進(jìn)行初步解調(diào)，一般通過(guò)數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制兩種方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)字分頻電路和鑒相器電路以及鎖相環(huán)電路組成的本振器能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，并且將處理的信號(hào)送至混頻器，最后在濾波器中進(jìn)行頻率相乘處理。DAC的主要功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，濾波器的主要目的是對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，去除信號(hào)中的干擾信號(hào)并優(yōu)化其中的有效信號(hào)，在濾波信號(hào)的選擇中還需要根據(jù)無(wú)線射頻發(fā)射機(jī)進(jìn)行選擇，一般包括信道選擇濾波器、鏡像抑制濾波器以及射頻濾波器等。混頻器作為頻率調(diào)制器的一種，主要應(yīng)用于信號(hào)變頻，將原有的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻射頻信號(hào)。

2.2 射頻接收機(jī)的工作原理

無(wú)線通信系統(tǒng)中共的射頻接收機(jī)的主要目的是進(jìn)行射頻信號(hào)的接收，并且對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行后處理，通過(guò)有效信息的解調(diào)將下變頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l信號(hào)。在無(wú)線通信的天線接收端中，接收到射頻信號(hào)之后，能夠?qū)⑿盘?hào)傳輸至LNA進(jìn)行放大，并進(jìn)行解調(diào)和幅度放大處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后在后端設(shè)備中進(jìn)行后處理。

圖2 射頻接收機(jī)原理圖

對(duì)于無(wú)線通信中的整個(gè)射頻收發(fā)系統(tǒng)而言，信號(hào)的傳輸與變換主要通過(guò)調(diào)制與解調(diào)實(shí)現(xiàn)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線通信傳輸中的合適信號(hào)，以此來(lái)保證實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用等，保障整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。

3.無(wú)線通信中射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，必須對(duì)無(wú)線通信中射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，除此之外還必須要包括天線的設(shè)計(jì)部分。對(duì)于射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須基于射頻技術(shù)工作原理，以提高無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性、提高其工作性能為目的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 FPGA外圍電路

FPGA（Field-Programmable Gate Array），因?yàn)槠渚哂懈咚偬幚砟芰Α⒏呷萘亢挽`活的可重構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的重要手段。早期的可編程器件包括PAL、GAL、CPLD，隨著技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA 逐漸取代了上述器件。FPGA 是ASIC 的一種半定制電路。這種半定制電路一方面克服了定制電路的不靈活，又沒(méi)有可編程器件門電路數(shù)量有限的缺點(diǎn)。FPGA 內(nèi)部包含若干個(gè)邏輯單元陣列（LCA），每個(gè)LCA 內(nèi)部有包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊IOB 和可編程互聯(lián)總線。區(qū)別于傳統(tǒng)的可編程器件，F(xiàn)PGA 的運(yùn)行過(guò)程：基本單元模塊不僅能實(shí)現(xiàn)組合電路而且能實(shí)現(xiàn)時(shí)序電路，組合邏輯可通過(guò)小型查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)，時(shí)序邏輯則依靠查找表連接到D 觸發(fā)器的輸入端，利用這些觸發(fā)器能夠驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或輸入輸出口。這些模塊間使用可編程的金屬連線互連或連接到外部輸入輸出口，通過(guò)將編程數(shù)據(jù)加載到內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA 的邏輯。存儲(chǔ)單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能及各模塊間的連接關(guān)系或模塊與輸入輸出接口的連接關(guān)系，并最終實(shí)現(xiàn)FPGA所要實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。

3.2 射頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

對(duì)于射頻發(fā)射機(jī)而言，性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括頻率穩(wěn)定度、平均載波頻率、射頻輸出頻率以及互調(diào)衰弱、調(diào)制特性等。在射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)中，主要考慮功率放大器的調(diào)制處理功能，需要綜合考慮信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)后的射頻發(fā)射機(jī)處理后的信號(hào)能夠滿足天線發(fā)射要求。

一般射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)包括放大電路的設(shè)計(jì)和晶體震蕩電路設(shè)計(jì)兩部分。首先在放大電路的設(shè)計(jì)中必須科學(xué)合理的選擇二極管，能夠滿足靜態(tài)工作中電流的要求，從而保證電路內(nèi)工作電壓和工作阻值的要求。其次，在晶體震蕩電路的設(shè)計(jì)中建議采用并聯(lián)晶體震蕩電路，在設(shè)計(jì)中需要綜合考慮晶體的質(zhì)量以及振子的結(jié)構(gòu)，保證其滿足電路的振蕩性能要求。

3.3 射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)是基于通信系統(tǒng)信道性能進(jìn)行的，在進(jìn)行設(shè)計(jì)中必須對(duì)射頻接收機(jī)的性能要求進(jìn)行綜合分析，確定射頻接收機(jī)的工作信道及頻率性能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上對(duì)濾波器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括濾波器參數(shù)以及降噪系數(shù)等；在此基礎(chǔ)上對(duì)混頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證混頻器中的傳輸信號(hào)頻率和本振信號(hào)頻率的一致性。為科學(xué)規(guī)劃射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)，還需要對(duì)射頻接收機(jī)電路圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)基帶電路、下變頻電路以及前端電路部分均需要進(jìn)行出圖。其中射頻前端電路設(shè)計(jì)中需要充分了解射頻前端電路的組成，包括放大器和濾波器，在充分了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，另外還應(yīng)該對(duì)下變頻電路以及基帶電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)電路優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)。

3.4 天線的設(shè)計(jì)

在無(wú)線通信中射頻收發(fā)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸主要通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)，作為系統(tǒng)主要組成部分，天線主要實(shí)現(xiàn)電磁波的轉(zhuǎn)化和傳輸，是電磁波傳輸轉(zhuǎn)換設(shè)備，因此天線的設(shè)計(jì)十分重要。對(duì)于天線功能的實(shí)現(xiàn)和位移電流息息相關(guān)，天線位移電流的空間推進(jìn)能力直接決定了電磁波輻射能力，一般電源頻率越高位移電流越強(qiáng)，電磁波輻射能力越強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)中需要充分考慮這一指標(biāo)。在天線的設(shè)計(jì)中還應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般采用帶電開(kāi)放形結(jié)構(gòu)，才能夠保證其實(shí)現(xiàn)電磁波輻射功能。

4.射頻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的測(cè)試

為測(cè)試射頻收發(fā)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足系統(tǒng)要求，還需要對(duì)射頻收發(fā)系統(tǒng)中的接收機(jī)以及發(fā)射機(jī)進(jìn)行測(cè)試。包括發(fā)射機(jī)增益、噪聲系數(shù)測(cè)試等相關(guān)系數(shù)測(cè)試。選擇5V的電源為系統(tǒng)供電，之后采用頻譜儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)之后發(fā)現(xiàn)噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻收發(fā)系統(tǒng)之后明顯被削弱，另外還對(duì)基帶信號(hào)頻率范圍進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定了接收機(jī)增益變化的范圍，最終確定接收機(jī)增益不減。另外還在其中引入了噪聲分析儀進(jìn)行接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的測(cè)試，通過(guò)測(cè)試得出最大增益噪聲系數(shù)。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證噪聲分析的準(zhǔn)確性。另外對(duì)于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)功率直接決定了電磁波以及信號(hào)的傳輸距離，因此還需要對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)，以泄露值和信噪比為測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。將發(fā)射機(jī)中的信號(hào)發(fā)射器電磁波信號(hào)調(diào)節(jié)至最大，在此基礎(chǔ)上檢測(cè)輸出功率，通過(guò)將頻譜儀的檢測(cè)端與發(fā)射機(jī)的輸出端信號(hào)相連，檢測(cè)發(fā)射機(jī)增益，得到邊帶及本振泄露功率與輸出功率的比值。

5.結(jié)語(yǔ)

對(duì)于無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，需要充分了解射頻收發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)成以及工作原理。無(wú)線通信系統(tǒng)的工作性能和應(yīng)用性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，依據(jù)無(wú)線通信射頻技術(shù)基本原理完成的設(shè)計(jì)才能得到認(rèn)可和應(yīng)用。