無(wú)線通信射頻接收技術(shù)研究

曹薇薇 王宇星 黃穎華 張定心

摘 要：本文在研究通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，分析了單次變頻超外差式接收機(jī)架構(gòu)、雙重變頻超外差接收機(jī)的模型架構(gòu)和通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)方案，最后提出無(wú)線通信接收機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信;接收機(jī);電路架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN925文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）04-0030-03

Abstract： Based on the study of communication system model， this paper analyzed the architecture of single frequency conversion superheterodyne receiver， the model architecture of dual frequency conversion superheterodyne receiver and the anti-interference design scheme of communication system， and finally put forward the optimization design scheme of wireless communication receiver system， in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： wireless communication;the receiver;circuit architecture

隨著科技的不斷進(jìn)步，無(wú)線通信已經(jīng)完全融入人們的日常生活中，智能化電子產(chǎn)品已經(jīng)成為主要趨勢(shì)。這些智能化產(chǎn)品的發(fā)展與產(chǎn)生，都離不開無(wú)線控制模塊。無(wú)線控制模塊是利用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)囊环N模塊。無(wú)論是哪類智能產(chǎn)品，想要實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、智能化，都要通過(guò)無(wú)線模塊完成信號(hào)傳輸。同時(shí)，隨著產(chǎn)品的集成化、小型化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，無(wú)線通信技術(shù)已開始從模擬型轉(zhuǎn)向數(shù)字型，而且正在向軟件型方向發(fā)展[1]。其中，實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)耐ㄐ艡C(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生重大變化。

1 通信系統(tǒng)基本模型

根據(jù)電信號(hào)傳遞的媒質(zhì)不同，通信可分為有線通信和無(wú)線通信兩大類[2]。有線通信指電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線、電纜線、光纜線等有線媒質(zhì)傳遞的通信方式;無(wú)線通信指電信號(hào)利用空間電磁波的傳播作為媒質(zhì)進(jìn)行傳遞信號(hào)。任何通信系統(tǒng)，都是把發(fā)送端的信息傳送到接收端，因而通信系統(tǒng)可以用如圖1所示的模型來(lái)表示。發(fā)送端信息源的作用是把各種各樣的消息變換成原始的信號(hào)。發(fā)送設(shè)備則將各種原始信號(hào)轉(zhuǎn)化成適合在信道中傳輸?shù)囊演d頻信號(hào)。接收設(shè)備是將信道送來(lái)的已調(diào)載頻電信號(hào)變換成原始電信號(hào)，送給受信者。信道就是傳遞電信號(hào)的媒質(zhì)，對(duì)于有線通信，其是指?jìng)鬏攲?dǎo)線、電纜線、光纖電纜等，對(duì)于無(wú)線通信，其是指空間傳播的電磁波。最后，受信者將原始電信號(hào)變換成消息，從而完成消息的傳遞過(guò)程。

目前常見(jiàn)的接收設(shè)備有超外差式接收機(jī)、零中頻接收機(jī)、鏡像抑制接收機(jī)以及數(shù)字中頻接收機(jī)等[3-4]。超外差式接收機(jī)將通過(guò)變頻一次或多次將射頻己調(diào)信號(hào)變頻到易處理的中頻上，最終對(duì)中頻已調(diào)信號(hào)進(jìn)行處理放大、濾波與解調(diào)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈活性，因此這種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最可靠的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，隨著濾波器制造工藝的提高，與天線相連的濾波器在較大程度上抑制了鏡像頻率，提高了抗干擾能力。而其他接收設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性價(jià)比低，因此本文主要分析超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

2 單次變頻超外差式接收機(jī)設(shè)計(jì)

單次變頻超外差式接收機(jī)如圖2所示。接收信號(hào)頻率范圍是500 kHz～30 MHz，即中、短波段。圖中預(yù)選回路的作用是讓這一頻率范圍的信號(hào)都能通過(guò)，而其他頻率的信號(hào)則全部濾除，因而預(yù)選器送入混頻器的信號(hào)就是所要接收的500 kHz～30 MHz信號(hào)。送人混頻器的本地振蕩信號(hào)頻率比接收頻率高出455 kHz，即為955 kHz～30.455 MHz。混頻器把這兩個(gè)輸入信號(hào)相混以后由中頻濾波器取出差頻455 kHz，差頻455 kHz即為中頻信號(hào)。不論如何調(diào)諧接收機(jī)，中頻是永遠(yuǎn)不變的。所以，將所有接收頻率都變成處理一個(gè)相同頻率的信號(hào)，這就是超外差式接收至今仍被認(rèn)為是一種最佳設(shè)計(jì)方案的原因。455 kHz的中頻信號(hào)仍然包含有從天線進(jìn)入的信號(hào)的信息，其在中頻放大器中被選頻放大后，進(jìn)入檢波器檢波解調(diào);再經(jīng)低放放大后，送入揚(yáng)聲器變換成音頻信息。為保證本振頻率始終高出接收頻率455 kHz，必須使預(yù)選回路和本振回路實(shí)現(xiàn)統(tǒng)調(diào)。統(tǒng)調(diào)可以使預(yù)選回路電容和本振回路電容采用一個(gè)同軸的雙聯(lián)可調(diào)電容，選取合適的電容變化量就可以使本振頻率在接收波段內(nèi)永遠(yuǎn)高出接收頻率455 kHz。

3 鏡像干擾及抑制方案

從天線進(jìn)入的接收信號(hào)和本地振蕩器混頻以產(chǎn)生要進(jìn)一步放大的中頻信號(hào)。本振頻率可以高于或低于天線進(jìn)人的接收信號(hào)頻率一個(gè)中頻值。如有一電臺(tái)的頻率是15.000 MHz，其也將和14.545 MHz的本振混頻并產(chǎn)生455 kHz的中頻信號(hào)。若接收機(jī)前端的選擇性差，而15.000 MHz信號(hào)臺(tái)的功率又強(qiáng)，則當(dāng)接收機(jī)調(diào)諧在14.090 MHz時(shí)，此15.000 MHz的信號(hào)也將收聽(tīng)到，因而干擾了實(shí)際要接收的14.090 MHz信號(hào)，即為鏡像干擾。

當(dāng)振蕩器振蕩頻率高于需要接收信號(hào)的頻率時(shí)，鏡像頻率為接收頻率加2倍中頻頻率;若振蕩器振蕩頻率低于需要接收信號(hào)的頻率時(shí)，則鏡像頻率為接收信號(hào)頻率減2倍中頻頻率。因此，在一個(gè)典型的455 kHz接收機(jī)中，鏡像干擾將出現(xiàn)在比需要接收信號(hào)的頻率高910 kHz的地方。中頻選擇在較低頻率455 kHz時(shí)，鄰近波道選擇性就容易在中頻濾波和放大中實(shí)現(xiàn)。而中頻選擇在接收波段以上的較高頻率41 MHz時(shí)，因?yàn)V波器和放大器性能使鄰近波道選擇性難以達(dá)到要求。為兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，即鏡頻抑制和鄰近波道選擇性要求，就出現(xiàn)了二次混頻超外差式接收方案：第一次混頻用高中頻（如41 MHz），用于抑制鏡像干擾;第二次混頻取低中頻（如455 kHz），用于提高鄰近波道選擇性。

4 雙重變頻超外差接收機(jī)設(shè)計(jì)

雙變頻電路實(shí)現(xiàn)兩次變換頻率，如圖3所示。第一步用一個(gè)本地振蕩器LO1將頻率變換到大于455 kHz的頻率，典型值為5.5、9、10.7、21.4 MHz或41 MHz，使鏡像頻率足夠高，以便在預(yù)選器中將其抑制掉。第一中頻濾波是用LC濾波器或晶體濾波器;第二次變頻至455 kHz，濾波器可采用聲表面濾波器或陶瓷濾波器。第二個(gè)振蕩器是一個(gè)可變振蕩器，變化范圍一般為1 MHz或500 kHz。

第一中頻的帶寬應(yīng)等于第二振蕩器的頻率覆蓋范圍，通常考慮帶寬為1 MHz。有時(shí)第一中放采用可調(diào)節(jié)預(yù)選器，通常稱可變通帶中頻。可變通帶的調(diào)整是借助于變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)諧的，加在變?nèi)荻O管上的偏壓跟蹤接收信號(hào)的頻率。這個(gè)電壓由數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。第三個(gè)混頻器用作乘積檢波器，對(duì)接收連續(xù)波（CW）和單邊帶（SSB）信號(hào)是必要的;第三振蕩器稱作拍頻振蕩器（BFO）。為了能使第一中頻（高中頻）成為便于放大處理的單一頻率，如41MHz，目前第一混頻是頻率合成器，二混是單一頻率，二中放也為單一頻率，如455 kHz或9 MHz。

圖4所示為上變頻雙重變頻方案，一中頻采用75 MHz，其濾波采用75 MHz單片晶體濾波器，帶寬為10 kHz。第一混頻本振為鎖相頻率合成器，在頻率范圍內(nèi)以每步10 kHz提供粗調(diào);精調(diào)在第二變頻中用另一頻率合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該頻率合成器在10 kHz的粗調(diào)范圍內(nèi)提供每隔100 Hz的分辨率。第二中頻為9 MHz，因?yàn)樵谶@個(gè)頻率上有較好的晶體濾波器，可以選用雙邊帶晶體濾波器。在2～30 MHz的任一射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)天線進(jìn)入第一混頻器，第一本振減去信號(hào)得到75 MHz中頻。這個(gè)本振是工作在77～105 MHz每步0.0l MHz（l0 kHz）的第一個(gè)頻率合成器。為了使第二本振可以在第二中頻中進(jìn)行細(xì)調(diào)，第一中頻最小帶寬應(yīng)為10 kHz，從74.995 MHz到75.005 MHz。若遠(yuǎn)處有一個(gè)25 MHz的無(wú)線電臺(tái)，其三次諧波是75 MHz，但預(yù)選器對(duì)75 MHz信號(hào)衰減的大，干擾也就消失了。顯然，這種變頻方式優(yōu)于前面幾種方式。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)線通信核心部分的接收機(jī)電路進(jìn)行研究，分析了單次變頻超外式和雙重變頻超外差等接收模型和電路架構(gòu)，討論了鏡像干擾的抑制方式如何處理信號(hào)和如何從極高頻率的數(shù)據(jù)傳輸ANT端口中提取出穩(wěn)定的中頻信號(hào)。最后，在此基礎(chǔ)上提出上變頻雙重變頻設(shè)計(jì)方案。

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