無線射頻發(fā)射機系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張仕忠 鐘俊森 張立立

摘要：近些年隨著以OFDM技術為主的第四代移動通信技術的廣泛應用，第五代移動通信技術呼之欲出，這些技術對于通信系統(tǒng)中發(fā)射機和接收機的性能提出了更高的要求，信道帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率、信噪比這些指標必須有大幅提升才能滿足傳輸要求，同時以手機為主的通信電子設備的便捷化、智能化、微型化更是當今社會發(fā)展的趨勢。射頻發(fā)射機作為通信系統(tǒng)最前端的部分，是整個無線移動通信系統(tǒng)的基礎，因此發(fā)射機性能的不斷優(yōu)化就顯得尤為重要。文章以模塊化的方式給出了一套發(fā)射機系統(tǒng)設計方案，包括語音放大濾波電路、調(diào)制電路、FPGA振蕩電路、帶通濾波器和高頻功率放大電路，經(jīng)過實際搭建電路測試，該套設計方案性能良好。

關鍵詞：OFDM;射頻發(fā)射機;FPGA;調(diào)制

中圖分類號：TN929.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0034-03

射頻是一種特定頻率的電磁波，可在自由空間內(nèi)輻射。要實現(xiàn)移動通信，必須采用無線傳輸，因此射頻技術是當代移動通信的基礎。射頻通信技術具有寬頻帶、高信息容量、體積小、可用頻譜多、干擾小等特點，在無線通信系統(tǒng)中應用廣泛。射頻發(fā)射機位于無線通信系統(tǒng)的最前端，優(yōu)良的性能對于保證通信質(zhì)量尤為重要。因此基于無線通信射頻發(fā)射機系統(tǒng)的重要性，對于其設計方案進行不斷優(yōu)化很有必要。

1射頻發(fā)射機總體設計

射頻發(fā)射機主要任務是完成基帶信號對載波的調(diào)制，將其變?yōu)橥◣盘柌嵋频剿璧念l段上且有足夠的功率發(fā)射，主要包括音頻放大濾波、振蕩器、調(diào)制器、混頻器、高頻功率放大、帶通濾波器和天線幾部分。發(fā)射機的方案大致可以分為兩種：一是將調(diào)制和上變頻合二為一，在一個電路中完成，這稱為直接變換法。二是將調(diào)制和上變頻分開，先在較低的中頻上進行調(diào)制，然后將已調(diào)信號上變頻搬移到發(fā)射的載頻上，這稱為兩步變換法。發(fā)射機總體設計原理框圖如圖1所示。

2各模塊設計原理及方案

2.1增益可調(diào)音頻放大濾波設計方案

濾波電路由截止頻率為300Hz的高通濾波器和截止頻率為3400Hz的低通濾波器構成，使用具有優(yōu)良音頻性能的超低失真，低噪聲運算放大器芯片OPA2134。

2.2振蕩器設計方案

振蕩器作為混頻器的本振源，產(chǎn)生正弦波作為本振信號送入混頻器，從能量的觀點來看，正弦波振蕩器是不需要輸入信號控制就能自動的將直流電源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟l率和振幅的正弦交變能量的電路，本設計方案采用FPGA產(chǎn)生固定頻率100kHz的正弦波作為調(diào)制用的本振源，使用FPGA數(shù)字方式做本振源產(chǎn)生的正弦載波頻率穩(wěn)定且誤差較小，有利于保證發(fā)射機可靠性以及頻率的穩(wěn)定性。

在一個正弦波上取特定個數(shù)的點，然后將每個點的取值存放在FPGA的ROM中，通過在代碼里例化ROM，將ROM里每個點的取值依次輸出，就能得到特定頻率的穩(wěn)定正弦波。FPGA產(chǎn)生正弦波源核心代碼如下：

2.3調(diào)制電路設計方案

在通信中，調(diào)制是把基帶信號轉(zhuǎn)換成通帶信號的過程。這種轉(zhuǎn)換就是使載頻波的某個參數(shù)隨基帶信號而變化。用連續(xù)基帶信號使載波的某個參數(shù)（幅度、頻率、相位）連續(xù)變化的調(diào)制方式稱為模擬調(diào)制。當被控制的載波參數(shù)為幅度時，稱為幅度調(diào)制，當被控制的載波參數(shù)為頻率或相位時，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。幅度調(diào)制包括普通調(diào)幅（AM）、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSBSC）和單邊帶調(diào)幅（SSBSC）。

由于與AM信號相比，如果發(fā)射機輸出功率相等，則DSB發(fā)射機發(fā)出的信息能量遠比AM多，即功率利用率高，且原理簡單，用乘法器+帶通濾波器的方式即可實現(xiàn)。

2.4帶通濾波器設計方案

由于相比于AM調(diào)制，DSBSC調(diào)制節(jié)省了功率，但沒有節(jié)省頻帶，因此信號帶寬與AM調(diào)制波相同，BW=2F（F為調(diào)制信號的頻率）。當載波頻率為100kHz時，DSBSC的頻帶在96.6-103.4kHz之間，因此該頻帶寬度為帶通濾波器的通帶，帶通濾波器使用運放芯片OPA2134，采用高通+低通濾波器的設計方式。電路設計方案如圖2所示。

2.5混頻器設計方案

從頻域角度看，混頻是一種頻譜的線性搬移，輸出中頻信號與輸入射頻信號的結(jié)構相同，唯一不同的是載頻。從時域波形看，輸出中頻信號的波形與輸入射頻信號的波形相同，不同的是載頻功率。在發(fā)射機中一般用上混頻，它將已調(diào)制的中頻信號搬移到射頻段。接收機一般為下混頻，它將接收到的射頻信號搬移到中頻上?；祛l器同調(diào)制電路一樣，使用AD734乘法器芯片。電路設計如圖3所示。

2.6高頻功率放大器設計方案

高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，它將已調(diào)制的頻帶信號放大到所需要的功率值，送到天線中發(fā)射，保證在一定區(qū)域中可以收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信網(wǎng)?？梢园凑詹煌姆懂爩Ω哳l功率放大器進行劃分。若按工作頻帶分，可分為寬帶放大和窄帶放大，若按工作狀態(tài)分，可分為線性放大和非線性放大，若按放大器類別分，可分為A、B、C、D、E等類。功率放大電路使用功率放大集成模塊LMl875。

LMl875功放板由一個高低音分別控制的衰減式音調(diào)控制電路和LMl875放大電路以及電源供電電路三大部分組成，音調(diào)部分采用的是高低音分別控制的衰減式音調(diào)電路，其中的R02，R03，C02，C01，W02組成低音控制電路;C03，C04，W03組成高音控制電路;R04為隔離電阻，W01為音量控制器，調(diào)節(jié)放大器的音量大小，C05為隔直電容，防止后級的LMl875直流電位對前級音調(diào)電路的影響。放大電路主要采用LMl875，由1875，R08，R09，C066等組成，電路的放大倍數(shù)由R08與R09的比值決定，C06用于穩(wěn)定LMl875的第4腳直流零電位的漂移，但是對音質(zhì)有一定的影響，C07，R10的作用是防止放大器產(chǎn)生低頻自激。電路設計及測量結(jié)果如圖4所示。

3電路連接及調(diào)試

3.1增益可調(diào)音頻放大濾波模塊調(diào)試

將音頻放大和濾波兩部分電路連接起來，用信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波作為輸入信號，用示波器觀察輸出信號可知該模塊放大濾波效果良好;波形無失真;調(diào)節(jié)滑動變阻器到合適的放大倍數(shù)。

3.2振蕩器模塊調(diào)試

由于FPGA以數(shù)字方式產(chǎn)生正弦波振蕩信號，因此信號波形和頻率均比較穩(wěn)定，且誤差較小。

3.3調(diào)制電路及帶通濾波器調(diào)試

將振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號和音頻信號作為調(diào)制電路的兩路輸入信號，將調(diào)制電路的輸出與帶通濾波器的輸入相連，觀察輸出信號的波形發(fā)現(xiàn)調(diào)制效果良好;用頻譜儀測得該AM信號頻率與理論值誤差較小。

3.4混頻電路及帶通濾波器調(diào)試

將調(diào)制電路與帶通濾波器連接在前級模塊的輸出端，觀察輸出信號發(fā)現(xiàn)信號波形無明顯失真;混頻后輸出信號的頻率與理論值近似相等。

3.5高頻功率放大器調(diào)試

將高頻功率放大器與前級輸出端相連，調(diào)節(jié)電路參數(shù)使其滿足天線發(fā)射所需功率要求。

4結(jié)束語

隨著無線通信技術、射頻技術的發(fā)展，移動通信必將極大地改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，為了滿足用戶對通信質(zhì)量的更高要求，實現(xiàn)寬頻帶、高峰值、智能化的射頻收發(fā)系統(tǒng)必不可少，唯有不斷改進、不斷創(chuàng)新才能有所突破。