模塊化無線通信射頻接收系統的設計與實現

高韻淇 鐘俊森 張仕忠 張立立

[摘 要] 射頻設計在無線移動通信設計中有著重要的地位。隨著微電子技術和通信技術的飛速發展，射頻電路的集成化程度越來越高，對于無線通信系統，更是提出了高速率、低成本、寬帶寬、小體積的新挑戰。因此，文章基于無線通信射頻技術的基本原理，對無線通信射頻接收系統進行研究與設計，將射頻接收機與射頻發射機進行模塊化，探究每一模塊的結構與原理，從根本上提升每一個?？斓男阅?，實現無線傳輸射頻收發系統的寬帶寬，高速率，并給出了一套完整可行的無線傳輸系統的設計方案。

[關鍵詞] 無線通信技術;射頻;發射機;接收機;模塊化

[作者簡介] 高韻淇（1999—），男，遼寧沈陽人，東北大學計算機科學與工程學院在讀本科生，研究方向為無線模擬通信;張立立（1984—），女，遼寧阜新人，碩士，高級實驗師，研究方向為智能控制和無線網絡。

[中圖分類號] TP393? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0390-03? ? [收稿日期] 2019-11-05

在移動通信的收發信機[1]中，主要分為射頻級和基帶級兩大部分。射頻部分處理的是寬動態范圍的高頻模擬信號。射頻是頻率范圍在300kHz-300GHz，可在自由空間內輻射的電磁波。射頻通信技術具有寬頻帶、可用頻譜多、高信息容量、體積小、干擾小等特點，是無線傳輸技術的基礎。無線通信收發系統[2] （P8）用于處理通信系統中信號的發射與接收，位于無線通信系統的最前端，是無線通信技術的技術核心。因此，研究無線通信射頻收發系統的原理[3] （P36），優化其設計方案，對于提升無線傳輸的質量，改善移動通信的性能尤為重要。本文在《無線射頻發射機系統設計與實現》研究發射機[4]的基礎上，繼續進行接收機的研究，然后對兩個系統進行聯調，本文主要介紹射頻接收機的設計，以及項目研究的意義。

一、射頻接收機原理及電路設計

射頻接收機主要通過下變頻的方式從天線接收到的信號中選擇所需要的信號，經過兩次下變頻，將其從高頻信號還原為基帶信號，其中最重要的部分為下變頻器。下變頻器[5] （15）將信號頻率和本振頻率混頻后降為頻率固定的中頻信號。模塊化射頻接收機的原理框圖如圖1所示。

射頻接收機的方案基于三個方面的考慮。首先，中頻比信號載頻低很多，在中頻段實現對有用信道的選擇要比在載頻段選擇對濾波器Q值得要求低得多。其次，接收機從天線上接收到的信號電平一般為-120到-100dBm。將如此微弱的信號放大到解調器或A/D變換器可以工作的電平，一般需要放大100dB以上。為了放大器的穩定和避免振蕩，在一個頻帶內的放大器，其增益一般不超過50-60dB。采用圖1所示方案，可將接收機的總增益分散到高頻、中頻和基帶三個頻段上。而且，載頻降為中頻后，在較低的固定中頻上做窄帶的高增益放大器要比在載波頻段上做高增益放大器容易和穩定得多。其三，在較低的固定中頻上解調或A/D變換也相對容易。

射頻接收機的主要性能指標[6]包括：接收微弱信號的靈敏度、阻塞和雜散響應抑制，互調響應抑制、鄰道干擾抑制及雜散輻射，提升射頻接收機的性能指標將直接改善移動通信中的無線通信質量。

（一）高、中、低頻濾波電路

高頻濾波電路用于選擇信號頻帶，因為帶寬較寬，所以便于設計。中頻濾波器用于濾除[7]下變頻電路輸出的混合信號中的高頻分量得到中頻分量，完成真正意義上的下變頻。中頻濾波器使用中心頻率為10.7M，帶寬200k的陶瓷濾波器。低頻濾波器用于濾除經過包絡檢波電路后的基頻信號中的干擾信號，得到帶寬在0.3kHz-3.4kHz之間的音頻信號。同射頻發射機中音頻濾波電路電路，使用OPA134芯片。

（二）高、中、低頻放大電路

根據射頻接收機的原理，接收機從天線上接收到的信號電平過小，本文中設計的接收機結構將總增益分散到三個頻段上。高、中、低頻三個頻段的增益分別為54.19dB、36.12dB、16.9dB。其中高頻放大電路是由OPA847芯片構成的3個8倍（阻抗匹配后）放大器級聯而成，中頻放大電路是由OPA847芯片構成的2個8倍（阻抗匹配后）放大器級聯而成。

OPA847芯片將極高的增益帶寬和大信號性能與超低輸入噪聲電壓相結合，3.9G的增益帶寬積與極低的輸入電壓和電流噪聲的性能使其成為寬帶跨阻應用的理想放大器，使用OPA847構成的8倍放大器使得射頻接收機依然擁有200M以上的帶寬。

（三）下變頻電路（一次變頻）

下變頻電路是射頻接收機中第一次變頻電路，由天線接收到的載頻為50M的AM信號與39.3M的本振信號混頻后得到載頻為10.7M與89.3M的混合信號，經過中頻濾波器將高頻分量濾除得到中頻AM信號實現射頻接收機的一次變頻。

（四）包絡檢波電路（二次變頻）

包絡檢波電路是射頻接收機中的解調電路，將音頻信號從中頻AM信號中解調出來完成射頻接收機的二次變頻。

設計包絡檢波電路應注意以下三點：

1.時間常數應滿足：

低通濾波器的時間常數遠大于載波周期，即電容C對高頻載波近似短路，濾除高頻分量。低通濾波器的時間常數小于調制信號周期，即低通濾波器的通頻帶讓低頻調制信號通過。

2.不產生惰性失真：（ma為調制深度）

3.不產生負峰切割失真：

由上述公式可看出，調制深度m越小，越不容易產生惰性失真和負峰切割失真，包絡檢波電路得到的音頻信號越完整。

（五）緩沖電路

由于包絡檢波電路末端電容C3易與低頻放大器前端電阻構成RC濾波電路對信號的傳輸造成影響，故在包絡檢波電路與低頻放大電路之間增加一個跟隨器使得信號平穩傳輸。

二、收發系統電路連接與調試

（一）收發系統輸出測試

將《無線射頻發射機系統設計與實現》中的發射機與本文設計接收機相連，進行系統調試。

用示波器測試射頻發射機上變頻電路模塊，如圖2所示。射頻發射機上變頻電路模塊輸入輸出信號對比，藍色信號為載波頻率100kHz，基波頻率2kHz的AM信號，黃色信號為上變頻后的載波頻率200MHz，基波頻率2kHz的AM信號，信號完整，無明顯失真。

用示波器測試射頻接收機包絡檢波電路模塊，如圖3所示。射頻接收機包絡檢波電路模塊輸入輸出信號對比，黃色信號為載波頻率10.7MHz，基波頻率2kHz的AM信號，藍色信號為2kHz的語音信號，信號完整，無明顯失真。

（二）射頻收發系統無線傳輸調試

將射頻發射機與接收機各模塊級聯，在發射機信號輸入端播放音頻信號，信號通過天線傳輸，與此同時可在接收機音頻播放端聽到相同的音頻信號，信號聲音完整，無明顯失真，射頻收發系統實現無線傳輸。圖4為示波器所顯示的模塊化射頻收發系統發送端與接收端的音頻信號。

藍色信號為模塊化射頻發射機輸入端頻率為2kHz的正弦波語音信號。黃色信號為模塊化射頻接收機輸出端信號，由圖可見輸出信號與輸入信號的頻率相同，且無明顯失真，無線通信射頻收發系統工作性能良好。系統實物如圖5所示。

三、模塊化無線通信系統開發研究意義

本課題的研究目的是提供一種可以便捷調幅，并鞏固已學的理論知識，能夠使我們建立無線電收發機的整機概念，了解接收機整機各單元電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計、計算接收機的各個單元電路。初步掌握小型調幅波收發機的調整及測試方法。該調幅信號處理系統是以提高學生創新實驗能力和配合參加全國大學生電子設計大賽和《通信電子線路》課程的實驗教學內容為目的而研發的，具有技術先進、實用性和通用性強、易操作、制作成本低等優點，各功能模塊相對獨立，十分方便二次開發和電子系統設計培訓，主要研究意義從以下幾個方面考慮。

（一）服務于電子競賽

該模塊化射頻接收機實驗系統是從往屆賽題中提取出來的幾個經典項目，將硬件的開發融入賽題的設計和實現，其創意與具體的功能實現來源于電子設計大賽，服務于電子設計大賽。并且訓練內容和之后要參加的比賽直接相關，學生所獲取的經驗可以立即派上用場，對提高本校比賽成績具有很大幫助。

（二）應用于實驗課程

將開發的模塊化射頻接收機實驗系統，制作成實驗箱，用于通信電子線路課程的實驗教學內容。模塊內容設計不僅兼顧電子競賽的設計內容，而且還緊貼通信電子線路課程教學大綱中對于實踐內容的要求。通過模塊中改變開關或者連接方式的變化，即可切換對課程和競賽的不同要求。

（三）立足于學生創新

模塊化設計理念為學生設計提供了資源，學生可以獨立設計方案，替換系統中的模塊，在系統中測試所設計模塊的性能，為培養學生動手能力、創新能力搭建了一個多功能的實驗平臺。參加本次項目的同學可以通過設計并制作本系統得到創新思維的實際訓練;而未參與的同學可以利用成形的實驗系統進行基礎訓練與進一步自主創新開發，對學生創新能力提高大有裨益。

（四）實踐于企業推廣

模塊化射頻接收機實驗系統的研發，也借助于相關企業需求的推動，系統的成功設計，有利于技術轉讓和通過企業的大范圍推廣。

四、結束語

本文通過對無線通信射頻收發系統的原理、結構、設計進行研究，將射頻接收機與發射機模塊化，針對每一模塊進行優化升級，提升整個收發系統的性能，實現無線傳輸射頻收發系統的寬帶寬，高速率，低噪聲。為無線通信射頻技術的研究提供一定的支持與參考。

參考文獻

[1]劉中奇，沈學銀.基于無線通信射頻收發系統的研究與設計[J].信息系統工程，2017（6）：111-112.

[2]舒浩.新一代無線通信射頻收發機系統的研究和實現[D].西安電子科技大學，2011：8.

[3]陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學出版社，2006：36.

[4]張仕忠，鐘俊森，張立立.無線射頻發射機系統設計與實現[J].科技創新與應用，2019（12）：34-36.

[5]張勝.寬帶無線通信系統射頻收發前端研究[D].杭州電子科技大學，2011：15.

[6]崔立良.無線通信射頻收發系統設計探究[J].數字技術與應用，2011（5）：210-211.

[7]戚龍.無線射頻接收機模擬信道濾波器的選型設計[J].中國新技術新產品，2019（4）：31-32.