無線通信中射頻收發系統的研究與設計

余 江

(廣州海格通信集團股份有限公司,廣東 廣州 510656)

0 引言

射頻屬于一種空間輻射形式的電磁波,射頻信號屬于對高頻電流調整之后所獲得的信號,在無線信號中,射頻信號具有較高的頻率。目前,射頻信號已經在人們的工作和生活中得以廣泛應用,并發揮不可或缺的作用。為實現射頻信號的良好應用,技術人員應加強無線通信過程中的射頻收發系統研究,以此來發揮該技術的充分優勢,促進無線通信的發展。

1 無線通信射頻收發系統概述

1.1 射頻發射機

在無線通信射頻收發系統中,射頻發射機可借助于功率的調制、放大、上變頻以及濾波來實現低頻基帶信號到高頻射頻信號的轉變。發射機的主要組成部分包括混頻器、放大器、濾波器、數據轉換器、本振器、調制器和天線等。具體應用中,首先借助于調制器對數據轉換器中的低頻基帶信號進行初步調制處理。其調制方式通常有兩種,其一是數字調制,其二是模擬調制。借助于本振器,可進行信號處理和信號到混頻器的傳送,最后借助濾波器對頻率進行濾波處理。在此過程中,DAC主要負責數字信號到模擬信號的轉換,濾波器主要負責信號的進一步處理,去除信號中的干擾信號,并讓有效信號得到進一步的優化。通常情況下,濾波器主要包括射頻濾波器、鏡像抑制濾波器以及選擇濾波器等。在頻率調制器中,混頻器屬于一種重要的調制器,其主要作用是對信號進行變頻處理,讓原來的基帶信號實現到高頻射頻信號的轉變[1]。圖1為射頻發射機工作原理。

圖1 射頻發射機工作原理

1.2 射頻接收機

在射頻收發系統的具體應用過程中,射頻接收機的主要功能是接收來自于射頻發射機的射頻信號,然后對其進行變頻處理,讓射頻信號轉變為低頻信號,然后再對其信息進行有效解調。在整個無線通信射頻收發系統中,射頻接收機位于其前端,所以其性能的好壞將會對整個收發系統產生直接的影響。在射頻信號經天線接收空間傳輸給LNA放大器之后,變頻操作可以將這個信號轉變成低頻形式的基帶信號,然后對其中的有效信號進行解調處理,并使其幅度被科學放大,最后借助ADC實現模擬信號到數字信號的轉變。接下來,借助于DSP處理或者是借助于后端設備來進行相應信號的科學處理[2]。其中,動態范圍、鄰信道選擇性、噪聲系數以及信號靈敏度等是其常見指標。圖2是射頻接收機的工作原理。

圖2 射頻接收機的工作原理

2 無線通信射頻收發系統設計分析

在對無線通信過程中的射頻收發系統進行設計的過程中,設計者主要應對FPGA外圍電路、射頻發射機、射頻接收機以及天線的設計做重點考慮。因為這些都是此系統中不可或缺的組成部分,其設計效果將會對整體系統的應用產生直接影響。所以在具體設計中,設計者一定要充分考慮系統的實際應用需求,并根據實際情況來科學設計重要部分。以下是其具體設計分析。

2.1 FPGA外圍電路設計

FPGA具有容量大、靈活度高以及處理能力強等諸多優勢,是軟件無線電實現重構的一個重要手段。在早期應用中,其可編程的器件主要有CPLD,GAL以及PAL,而在科學技術的不斷進步中,FPGA開始逐漸將這些器件取代。在ASIC中,FPDA屬于一種半定制形式的電路,此類電路不僅可以讓定制電路靈活性較差問題得以有效解決,同時也有效避免了可編程形式器件中的門電路有限問題。在FPGA中,LCA邏輯單元陣列有若干個,每一個陣列中都含有可配置形式的CLB邏輯模塊、IOB輸入輸出模塊以及可編程形式的互聯總線[3]。相比較傳統可編程器件而言,FPGA不僅讓電路實現了科學組合,同時也讓時序電路得以實現,借助于小型查找表,便可實現其組合邏輯;而借助于相應的查找表,也可以實現時序邏輯到D觸發器輸入端之間的連接。這些觸發器將會給其他的邏輯電路以及輸出輸入口提供驅動。這些模塊主要借助可編程形式的金屬連線來進行連接,或者是和外部的輸入輸出口進行連接。邏輯單元中的各項功能、各個模塊之間所具有的連接關系以及模塊輸入和輸出接口之間的連接關系都由存儲單元值所決定,FPGA的功能也由此得以實現,同時也可以無限次對FPGA進行編程處理。

2.2 發射機設計

在射頻發射機的性能評價中,調制特征、互調指標、射頻輸出頻率、平均載波頻率以及頻率穩定度等都是其評價指標。在具體設計中,設計人員需要對功率放大器所具有的調制處理功能加以重點考量,同時也應該根據信號頻率的具體結構來進行設計。這樣的方式可以有效保障信號在經過發射機處理之后能夠與天線的實際發射需求相符。通常情況下,發射機設計主要包括兩部分:一是放大電路,二是晶體振蕩電路。在對放大電路進行設計的過程中,一定要注重三極管的科學選擇,使其在靜態工作中充分滿足實際電流需求,確保電路中的工作電阻和工作電壓滿足實際需求。在對晶體振蕩電路進行設計的過程中,應將電路設計為并聯形式,同時應對晶體本身質量和振子具體結構加以綜合考慮,讓電路對于振蕩性的實際需求得以全面滿足。

2.3 接收機設計

在對射頻接收機進行設計的過程中,需要將通信系統中的信道性能作為基礎來進行設計。在具體設計中,一定要綜合分析接收機自身的實際性能要求,對其頻率性能和工作信道指標加以科學確定。然后以此為依據,對濾波器中的各項工作參數進行科學設計,包括濾波器設計參數、滾降等。以上述參數為基礎來進行濾波器的設計,讓傳輸信號和本振信號在混頻器內的頻率保持一致。為實現接收機的科學規劃與設計,需對其電路圖的設計進行優化,分別對前端電路、下變頻電路以及基帶電路進行指標分析,以此來實現這些電路的優化設計。在對射頻前端電路進行設計的過程中,應對電路的具體組成做到充分了解,并做好基帶電路以及下變頻電路的優化設計,以此來確保射頻接收機應用效果的進一步提升。

2.4 天線設計

在通過射頻收發系統進行無線通信的過程中,天線是實現無線信號傳輸的關鍵部件。因此,天線也是該系統中不可或缺的一個重要組成部分。在該系統的具體應用中,天線的主要功能是對電磁波進行轉化與傳輸。由此可見,天線在該系統中主要被用作對電磁波進行轉化與傳輸的設備。因此在實際的射頻收發系統設計過程中,設計者一定要充分注重天線的合理設計。通過實踐應用和具體分析可知,位移電流在天線應用功能的實現過程中具有非常大的作用,而天線中的位移電流所具有的空間推進能力更是會對電磁波輻射能力產生決定作用。通常情況下,如果電源具備越高的頻率,其位移電流也就會越強,同時其電磁波輻射能力也會越強[4]?；诖?在具體的天線設計過程中,設計者一定要對這一指標加以充分考慮,同時也應該對天線的具體結構做到全面均衡。通常情況下,射頻收發系統中的天線結構應設計為帶點開放形式。這樣的設計可以實現天線的電磁輻射功能,以此來確保整體系統的應用效果,滿足無線通信過程中的信號傳輸需求。

3 結語

綜上所述,在當今的無線通信行業不斷發展中,射頻收發系統的應用效果越來越為社會所關注。為進一步提升射頻收發系統的應用質量,滿足當今社會對于無線通信過程中的射頻收發系統實際應用需求,設計人員須不斷對該系統的設計進行研究,并使其得以不斷的優化。尤其是在新一代無線通信技術的應用和發展中,關于射頻收發系統的應用和研究更應該不斷深入,通過FPGA外圍電路、射頻發射機、射頻接收機以及天線的合理設計來確保通信效果,以此充分滿足無線通信的應用與發展需求。