無線通信中射頻收發系統的研究與設計

廣州海格通信集團股份有限公司 郭 洋 鄭超捷

在當前通信技術以及信息技術的發展背景下，蜂窩移動通信技術得到跨越式突飛猛進的發展進步，并受人矚目。對于通信系統而言，其功能的實現需要各種重點電子線路實現，而各種電子線路又緊緊依托于通信系統的發射機和接收機，因此必須對通信系統及其接收機、發射機進行深入研究和創新設計。

1.通信系統的組成

隨著通信技術以及通信系統在人們生產生活中的應用，其在人們生產生活中的作用逐漸凸顯。首先是進行信號調制，能夠將傳輸信號進行轉換，轉換成為能夠進行信道傳輸的信號。通過通信系統圖能夠看出，在通信系統的發送端進行信號解調。在通信系統中一般傳輸的是在零頻附近的低頻信號，包括以模擬信號和數字信號為代表的基帶信號（baseband）。經過調制之后的信號轉變為基帶信號（passband）。最終通帶信號在整個通信系統中進行傳輸，在接收機中接收信號，并對信號進行進一步處理，轉換為原始信號，接收機的主要任務即解調。

2.無線通信中射頻收發系統的工作原理

2.1 射頻發射機的工作原理

圖1 射頻發射機工作原理圖

射頻發射機的主要功能是將低頻基帶信號轉換為高頻射頻，如圖1所示，一般需要經過調制器和放大器、濾波器等結構實現。低頻基帶信號首先經過調制器以及濾波器、混頻器等進行信號處理。首先經過數模轉換器的低頻基帶信號需要經過調制器進行初步解調，一般通過數字調制和模擬調制兩種方式實現，數字分頻電路和鑒相器電路以及鎖相環電路組成的本振器能夠對信號進行處理，并且將處理的信號送至混頻器，最后在濾波器中進行頻率相乘處理。DAC的主要功能是將數字信號轉換為模擬信號，濾波器的主要目的是對信號進行進一步處理，去除信號中的干擾信號并優化其中的有效信號，在濾波信號的選擇中還需要根據無線射頻發射機進行選擇，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?；祛l器作為頻率調制器的一種，主要應用于信號變頻，將原有的基帶信號轉換為高頻射頻信號。

2.2 射頻接收機的工作原理

無線通信系統中共的射頻接收機的主要目的是進行射頻信號的接收，并且對接收的信號進行后處理，通過有效信息的解調將下變頻信號轉變為低頻信號。在無線通信的天線接收端中，接收到射頻信號之后，能夠將信號傳輸至LNA進行放大，并進行解調和幅度放大處理，將模擬信號轉換為數字信號，最后在后端設備中進行后處理。

圖2 射頻接收機原理圖

對于無線通信中的整個射頻收發系統而言，信號的傳輸與變換主要通過調制與解調實現，將信號轉換為無線通信傳輸中的合適信號，以此來保證實現信道復用等，保障整個無線通信系統的性能。

3.無線通信中射頻收發系統設計

為進一步提高無線通信系統的性能，必須對無線通信中射頻收發系統進行優化和設計，除此之外還必須要包括天線的設計部分。對于射頻收發系統的設計必須基于射頻技術工作原理，以提高無線通信系統的穩定性和可靠性、提高其工作性能為目的進行優化設計。

3.1 FPGA外圍電路

FPGA（Field-Programmable Gate Array），因為其具有高速處理能力、高容量和靈活的可重構成為實現軟件無線電的重要手段。早期的可編程器件包括PAL、GAL、CPLD，隨著技術的進步，FPGA 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，又沒有可編程器件門電路數量有限的缺點。FPGA 內部包含若干個邏輯單元陣列（LCA），每個LCA 內部有包括可配置邏輯模塊CLB、輸入輸出模塊IOB 和可編程互聯總線。區別于傳統的可編程器件，FPGA 的運行過程：基本單元模塊不僅能實現組合電路而且能實現時序電路，組合邏輯可通過小型查找表來實現，時序邏輯則依靠查找表連接到D 觸發器的輸入端，利用這些觸發器能夠驅動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，通過將編程數據加載到內部靜態存儲單元來實現FPGA 的邏輯。存儲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系或模塊與輸入輸出接口的連接關系，并最終實現FPGA所要實現的功能，FPGA允許無限次的編程。

3.2 射頻發射機設計

對于射頻發射機而言，性能評價指標主要包括頻率穩定度、平均載波頻率、射頻輸出頻率以及互調衰弱、調制特性等。在射頻發射機的設計中，主要考慮功率放大器的調制處理功能，需要綜合考慮信號頻率結構設計，保證設計后的射頻發射機處理后的信號能夠滿足天線發射要求。

一般射頻發射機的設計包括放大電路的設計和晶體震蕩電路設計兩部分。首先在放大電路的設計中必須科學合理的選擇二極管，能夠滿足靜態工作中電流的要求，從而保證電路內工作電壓和工作阻值的要求。其次，在晶體震蕩電路的設計中建議采用并聯晶體震蕩電路，在設計中需要綜合考慮晶體的質量以及振子的結構，保證其滿足電路的振蕩性能要求。

3.3 射頻接收機設計

射頻接收機的設計是基于通信系統信道性能進行的，在進行設計中必須對射頻接收機的性能要求進行綜合分析，確定射頻接收機的工作信道及頻率性能指標。在此基礎上對濾波器各項參數進行設計，包括濾波器參數以及降噪系數等；在此基礎上對混頻器進行設計，保證混頻器中的傳輸信號頻率和本振信號頻率的一致性。為科學規劃射頻接收機設計，還需要對射頻接收機電路圖進行優化設計，對基帶電路、下變頻電路以及前端電路部分均需要進行出圖。其中射頻前端電路設計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，在充分了解的基礎上進行優化設計，另外還應該對下變頻電路以及基帶電路進行優化設計，保證基礎結構電路優化的基礎上完成射頻接收機的設計。

3.4 天線的設計

在無線通信中射頻收發系統的信號傳輸主要通過天線實現，作為系統主要組成部分，天線主要實現電磁波的轉化和傳輸，是電磁波傳輸轉換設備，因此天線的設計十分重要。對于天線功能的實現和位移電流息息相關，天線位移電流的空間推進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，電磁波輻射能力越強，因此在設計中需要充分考慮這一指標。在天線的設計中還應該注重結構設計，一般采用帶電開放形結構，才能夠保證其實現電磁波輻射功能。

4.射頻接收機和發射機的測試

為測試射頻收發新系統設計是否滿足系統要求，還需要對射頻收發系統中的接收機以及發射機進行測試。包括發射機增益、噪聲系數測試等相關系數測試。選擇5V的電源為系統供電，之后采用頻譜儀對信號進行檢測，通過檢測之后發現噪聲信號經過射頻收發系統之后明顯被削弱，另外還對基帶信號頻率范圍進行了檢測，根據檢測結果確定了接收機增益變化的范圍，最終確定接收機增益不減。另外還在其中引入了噪聲分析儀進行接收機與發射機的測試，通過測試得出最大增益噪聲系數。以此為基礎進行校準，保證噪聲分析的準確性。另外對于發射機系統而言，其系統功率直接決定了電磁波以及信號的傳輸距離，因此還需要對此進行檢測，以泄露值和信噪比為測試指標進行檢測。將發射機中的信號發射器電磁波信號調節至最大，在此基礎上檢測輸出功率，通過將頻譜儀的檢測端與發射機的輸出端信號相連，檢測發射機增益，得到邊帶及本振泄露功率與輸出功率的比值。

5.結語

對于無線通信射頻收發系統的設計而言，需要充分了解射頻收發系統的構成以及工作原理。無線通信系統的工作性能和應用性能是系統設計的關鍵，依據無線通信射頻技術基本原理完成的設計才能得到認可和應用。