基于微波傳輸的無線分離式天線調試系統

摘要：針對傳統的天線調試系統存在的設計煩瑣、布線復雜、維護困難、成本高等問題，文章設計了一種基于微波傳輸的無線分離式天線調試系統。該系統以 DSP為核心處理器，實現了對天線信號的采集、處理、轉換和放大等功能，并可通過無線傳輸模塊實現與手機間通信的功能。文章所介紹的天線調試系統主要用于測試無線分離式天線性能及其工作環境適應性，同時也可用于無線分離式天線性能的研究和改進。

關鍵詞：微波傳輸；無線分離式天線；通信系統

中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A

0 引言

隨著無線電通信技術和計算機技術的發展，各種電子設備得到了更廣泛的普及，人們對它的需求也越來越大。為了使用戶能夠快速方便地測試出所需信號，本設計將傳統無線調試系統與微波傳輸相結合，提出了一種基于微波傳輸的無線分離式天線調試系統。傳統的調測方式會給移動終端增加額外的成本、復雜的調試步驟和調試時間。因此，如何實現天線信號快速的調整和恢復是一個有意義且非常實用的課題。為了實現分離式天線功能的調試，需要建立一個完整的、可擴展化的調試系統。本文介紹了分離天線及其基本原理，建立了一套完整的測試方案，實現了調試系統的高隔離度、高增益、可擴展化。

1 系統原理及組成

微波傳輸線是一種由金屬導體制成的傳輸線，具有體積小、重量輕、損耗低、抗電磁干擾能力強等優點，能與微波信號一起傳播，而且能夠在整個頻帶內工作。利用微波傳輸線可以實現從無線接收到數據的通信。可以在已知信道質量的條件下，采用遠距離收發信號，不用進行信道測試和調制解調就能對系統進行操作。本設計主要包括單片機控制模塊、天線模塊以及無線傳輸模塊3部分。其中，單片機控制模塊是本系統的核心部分，通過 SPI接口與微帶天線的頻率信號進行交換，將接收到的數據通過串口傳送到計算機；天線模塊是微波傳輸線與單片機的接口電路，將接收到的數據經過處理后通過微帶天線發送出去；無線傳輸模塊是一個多功能的設備^［1］。

2 系統設計理念

2.1 天線調試系統的總體設計

系統主要包括微帶天線、微波傳輸線和單片機，通過微波傳輸線將微帶天線與微帶天線上的貼片元件進行連接，把貼片元件引出至微波傳輸線。采用微波傳輸線將微波信號經前端放大后送至單片機進行數據處理，并利用微帶天線接收微波信號測量其參數，然后對數值進行分析，從而確定微帶天線的方向圖和輸入阻抗。本設計將傳統的無線調試系統與微波傳輸線相結合，克服了傳統無線調試系統設計煩瑣、布線復雜、維護困難等問題，簡化了天線調試過程，降低了成本。該系統具有高度的靈活性和實用性，可用于室內室外不同場所的無線通信及移動設備測試。

2.2 基于 DSP的微波發射系統設計

射頻部分主要由信號發生器、射頻信號調制模塊、收發信機3個模塊組成。整個系統包括的主要模塊有A/D轉換、模擬前端和數字信號處理部分。其中，A/D轉換部分用于將射頻信號轉換成電信號格式，將電文信號經過放大及整形后輸出；由A/D轉換器將數字信息存儲到計算機中；最后由計算機對A/D轉換器得到的數據進行處理；射頻前端主要用于發射和接收射頻信號；收發信機用于接收發射和接收通信，主要有兩種，一種是單片微波收發機（SSM-1100-W），另一種是多片微波收發機（SSM-1250-W）。SSM-1100-W由一個高性能可編程中頻放大器和一個中頻調制器組成，調制器中包括了數字解調器和射頻收發器，以提高系統的靈敏度^［2］。本系統的射頻發射前端電路采用 DSP作為核心處理器，將接收到的信號進行處理并放大后通過微波耦合模塊直接輸入 FIRFET發射端。發射機由信號調理模塊、幅度均衡器和衰減器組成，其中信號幅度均衡器和衰減器分別對調制后的射頻數據進行非線性校正和衰減。幅度均衡器主要由放大級和衰減級組成，可實現兩路不同頻率的信號在同一時間內以不同幅值輸出；衰減器主要用來減小發射機在工作時的功率損耗，提高系統效率。發射機的射頻模塊由 DSP核心處理器實現，包括發射前端、頻率自動調整和天線調諧兩部分。其中，調諧部分包括功率放大器、偏置電壓源和衰減器3個元器件，功率放大器采用雙頻單片設計，由發射機驅動電路原理圖可知其主要作用是使發射機工作在一個較高頻率的工作點上^［3］。

2.3 收發同步電路設計

收發同步電路是指接收到的數據在發送端和接收端的時間偏差，通常用Δt表示。一般接收端要比發送端提前一個比特，即一個比特為1/2，如果在此之前發送一個比特，那么這個時間差就是一個比特為1/2。本設計采用了 FIRFET接收接收器和 DSP收發器組成的雙路收發同步電路，其中D～t是接收時延值和發送時延值。當接收數據在發送端時，接收信號中的數字信號與發射信號中的數據差被送入接收器；當接收信號到達發射機的D/A轉換點T （或A）后，由于發射機A和接收機D之間存在時間偏差，兩者的時間延遲被輸入數字控制電路中進行積分運算后，將其轉換成一個數字電壓值送入單片機TMS320F2812，該電壓值由 DSP處理器計算得到。如果發射端相位和接收端相位在同一格，那么這個差值就是發射時間間隔1/2 （Δt），1/2 （T1）或1/2 （T2），1/2 （T3）^［4］。

2.4 信號調理電路設計

本設計主要包括幅度均衡電路和衰減電路兩部分。其中，幅度均衡主要由功率放大器、衰減器組成，功率放大器可采用帶通濾波器型的放大電路來實現。衰減器的作用是將從發射器輸出的射頻信號經過低通濾波器和寬帶衰減后，以達到對信號進行抑制的目的。其中，增益控制為數字運算放大器控制的負反饋部分；幅度控制為數字運算放大器控制的正反饋部分；功率放大與解調主要由功率放大器和衰減器來實現，本設計采用雙穩態功率放大器；偏置電阻用來平衡射頻信號與參考電壓之間的幅值差。本設計使用的衰減器為雙穩態衰減器。信號調理電路設計可調阻抗匹配電路。天線信號的模擬量和數字量在傳輸過程中會產生大量的高頻噪聲，使得接收到信號出現失真，因此本系統對模擬量和數字量進行了分開處理。在前端信號調理電路中，用兩個運算放大器構成低通濾波器，濾除高頻噪聲，然后對微波頻率信號進行低通濾波處理，將濾波后的信號通過調諧電阻 RxTx與天線接收端對應的負載進行匹配以達到傳輸要求。

該電路可將模擬電信號轉換成數字電信號來提高系統信噪比。本系統的數字信號處理模塊包括數據采集、信號調理、模數轉換和調理等部分。由于接收端需要同時接收模擬量和數字量，因此采用兩個運算放大器共同進行調節處理。在天線調諧電阻 RxTx兩端串聯一只1/4 W低通濾波器進行放大處理。在接收端需要對0～5 V的直流電壓進行分壓，得到0～5 V直流電，并采用1/4 W低通濾波器進一步將交流電隔離為0～0.5 V的交流電來減少干擾。在天線調諧電阻 RxTx兩端串聯一只1/4 W低通濾波電容 RxTx，然后將0～5 V直流電經過1/4 W低通濾波器過濾后送至調諧電感 RC和濾波電容 LF中的兩個組合電路中做放大作用；再由濾波電容 LF為負載提供高精度電壓源來對天線調制信號進行數字量的解調；最后由數字量調理電路輸出作為下一步微波調制信號進行解調和整形處理所需波形參數的控制。在接收端需要對0～5 V的直流電（交流）信號進行分壓后形成一個幅度為0.5 V左右的數字電信號輸入到模數轉換器（ADC）內進行模數轉化，然后送至模數轉換器中經運算放大后變為0～5 V或0.5～2.5 V的模擬電信號。

2.5 發射機和接收機的射頻單元設計

發射機的射頻單元設計主要是為了完成天線信號的發射和接收，包括天線信號的預處理、功率放大、A/D轉換、解調和放大等。本文主要介紹的是接收部分，接收機的關鍵部分包括A/D變換電路、解調電路、信號幅度均衡器和衰減器等。該系統接收到發射機或接收機發出的無線分離式天線信號，經預處理后，再經放大后送至 DSP進行處理，具體如圖1所示。本設計中的接收機采用數字基帶處理器芯片DSP2401，其內部集成了 DSP運算放大模塊和接收放大模塊。功放部分由數字濾波電路、增益調整電路和功率放大器組成。本設計中對功放的控制主要采用直接數字控制芯片AD7608和數字控制芯片DS601。其中，AD7608控制功放輸入端，DS601控制功放輸出端（輸出為負反饋信號）^［5］。

2.6 信號放大、解調部分電路設計

整個電路由D/A轉換和放大電路組成。D/A轉換部分的主要作用是將接收到的微弱信號轉化為幅度信號，并且送到數字控制芯片中。在此基礎上，放大部分的作用是把接收到的微弱信號放大，以便能夠實現A/D變換。其工作原理為：D/A轉換部分將射頻信號送到數字控制芯片ADC0809中進行數字控制；而在解碼時將接收到的微弱信號解調成幅度信號。該數字控制器具有自動增益控制及增益誤差補償等功能，具有輸出電壓和參考電壓之間的相位關系；并且具有與 DSP接口的串行輸入通道及模擬輸出通道，可以方便地把模擬電壓轉換成數字量并將其送入 DSP中運行^［6］。

2.7 測試軟件的設計

本系統采用模塊化設計，分為軟件和硬件兩部分。軟件部分采用模塊化設計，分為主程序、數據處理及測試軟件3部分。主程序是整個系統的核心，其主要功能包括：發射模塊的數據處理，包括對發射機相關參數測量與計算和對接收機信號測量、處理及數據通信等功能；調制模塊的數據處理，包括天線頻率測量、功率分配等參數計算；接收模塊的數據處理，主要是對發射系統相關參數的測量及計算，并根據測量結果分析發射系統中存在的問題；信號傳輸模塊的數據處理，包括接收到信號后如何提取和分析數據，并將其輸出。

2.8 硬件電路實現

在計算機中，要實現天線的信號測試和分析，需要將射頻部分與測試系統相連接。為此，需要把系統所用的射頻模塊安裝到測試設備上。射頻模塊包括電源模塊、調制解調模塊和發射機模塊以及射頻接收處理和傳輸電路。在該系統中，射頻天線需要放置在發射設備的前端。為了實現天線上電后能夠與計算機相連接，需要將計算機與發射設備相連接。將計算機通過串口或RS232接口與通信模塊相連，并將數據傳輸到天線上。

3 結語

本系統具有體積小、成本低、操作簡單等特點，可用于無線分離式天線的調試，為提高無線分離式天線的工作環境適應性提供了一種新的解決方案。在射頻部分采用了DSP處理器、高精度A/D轉換電路和數字濾波器等實現信號處理，保證了系統的穩定性、準確性及數據完整性。采用C語言編寫了上位機軟件，實現了測試控制、信號采集與分析、數據處理以及無線傳輸等功能。在硬件部分采用 DSP處理器為核心，設計開發了射頻模塊，同時采用高速數據采集卡將射頻信號和數據進行實時采集。系統采用FW8031作為微波傳輸載體，可方便地與PC機進行通信，通過PC機實現對無線分離式天線的調試和控制。本系統

適用于各種環境下測試天線性能和數據的傳輸，對提高無線分離式天線性能有重要意義；具有開放性和可擴展性，有較好的應用前景和市場價值。

參考文獻

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（編輯 沈 強編輯）

A wireless separation antenna debugging system based on microwave transmission

Sun Zhanfeng

（Hebei Branch of China Communication System Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： In order to solve the traditional antenna debugging system’s problems of complicated design， complex wiring， difficult maintenance and high cost， a wireless separated antenna debugging system based on microwave transmission was designed. The system takes DSP as the core processor， realizes the acquisition， processing， conversion and amplification of antenna signal， and can communicate with mobile phone through wireless transmission module. The antenna debugging system introduced in this paper is mainly used to test the performance of the wireless separated antenna and its adaptability to the working environment. It can also be used to study and improve the performance of the wireless separated antenna.

Key words： microwave transmission; wireless split antenna; communication system