模块化无线通信射频接收系统的设计与实现

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　　[摘 要] 射频设计在无线移动通信设计中有着重要的地位。随着微电子技术和通信技术的飞速发展，射频电路的集成化程度越来越高，对于无线通信系统，更是提出了高速率、低成本、宽带宽、小体积的新挑战。因此，文章基于无线通信射频技术的基本原理，对无线通信射频接收系统进行研究与设计，将射频接收机与射频发射机进行模块化，探究每一模块的结构与原理，从根本上提升每一个模快的性能，实现无线传输射频收发系统的宽带宽，高速率，并给出了一套完整可行的无线传输系统的设计方案。
　　[关键词] 无线通信技术;射频;发射机;接收机;模块化
　　[作者简介] 高韵淇（1999—），男，辽宁沈阳人，东北大学计算机科学与工程学院在读本科生，研究方向为无线模拟通信;张立立（1984—），女，辽宁阜新人，硕士，高级实验师，研究方向为智能控制和无线网络。
　　[中图分类号] TP393    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）35-0390-03    [收稿日期] 2019-11-05
　　 在移动通信的收发信机[1]中，主要分为射频级和基带级两大部分。射频部分处理的是宽动态范围的高频模拟信号。射频是频率范围在300kHz-300GHz，可在自由空间内辐射的电磁波。射频通信技术具有宽频带、可用频谱多、高信息容量、体积小、干扰小等特点，是无线传输技术的基础。无线通信收发系统[2] （P8）用于处理通信系统中信号的发射与接收，位于无线通信系统的最前端，是无线通信技术的技术核心。因此，研究无线通信射频收发系统的原理[3] （P36），优化其设计方案，对于提升无线传输的质量，改善移动通信的性能尤为重要。本文在《无线射频发射机系统设计与实现》研究发射机[4]的基础上，继续进行接收机的研究，然后对两个系统进行联调，本文主要介绍射频接收机的设计，以及项目研究的意义。
　　一、射频接收机原理及电路设计
　　射频接收机主要通过下变频的方式从天线接收到的信号中选择所需要的信号，经过两次下变频，将其从高频信号还原为基带信号，其中最重要的部分为下变频器。下变频器[5] （15）将信号频率和本振频率混频后降为频率固定的中频信号。模块化射频接收机的原理框图如图1所示。
　　射频接收机的方案基于三个方面的考虑。首先，中频比信号载频低很多，在中频段实现对有用信道的选择要比在载频段选择对滤波器Q值得要求低得多。其次，接收机从天线上接收到的信号电平一般为-120到-100dBm。将如此微弱的信号放大到解调器或A/D变换器可以工作的电平，一般需要放大100dB以上。为了放大器的稳定和避免振荡，在一个频带内的放大器，其增益一般不超过50-60dB。采用图1所示方案，可将接收机的总增益分散到高频、中频和基带三个频段上。而且，载频降为中频后，在较低的固定中频上做窄带的高增益放大器要比在载波频段上做高增益放大器容易和稳定得多。其三，在较低的固定中频上解调或A/D变换也相对容易。
　　射频接收机的主要性能指标[6]包括：接收微弱信号的灵敏度、阻塞和杂散响应抑制，互调响应抑制、邻道干扰抑制及杂散辐射，提升射频接收机的性能指标将直接改善移动通信中的无线通信质量。
　　（一）高、中、低频滤波电路
　　高频滤波电路用于选择信号频带，因为带宽较宽，所以便于设计。中频滤波器用于滤除[7]下变频电路输出的混合信号中的高频分量得到中频分量，完成真正意义上的下变频。中频滤波器使用中心频率为10.7M，带宽200k的陶瓷滤波器。低频滤波器用于滤除经过包络检波电路后的基频信号中的干扰信号，得到带宽在0.3kHz-3.4kHz之间的音频信号。同射频发射机中音频滤波电路电路，使用OPA134芯片。
　　（二）高、中、低频放大电路
　　根据射频接收机的原理，接收机从天线上接收到的信号电平过小，本文中设计的接收机结构将总增益分散到三个频段上。高、中、低频三个频段的增益分别为54.19dB、36.12dB、16.9dB。其中高频放大电路是由OPA847芯片构成的3个8倍（阻抗匹配后）放大器级联而成，中频放大电路是由OPA847芯片构成的2个8倍（阻抗匹配后）放大器级联而成。
　　OPA847芯片将极高的增益带宽和大信号性能与超低输入噪声电压相结合，3.9G的增益带宽积与极低的输入电压和电流噪声的性能使其成为宽带跨阻应用的理想放大器，使用OPA847构成的8倍放大器使得射频接收机依然拥有200M以上的带宽。
　　（三）下变频电路（一次变频）
　　下变频电路是射频接收机中第一次变频电路，由天线接收到的载频为50M的AM信号与39.3M的本振信号混频后得到载频为10.7M与89.3M的混合信号，经过中频滤波器将高频分量滤除得到中频AM信号实现射频接收机的一次变频。
　　（四）包络检波电路（二次变频）
　　包络检波电路是射频接收机中的解调电路，将音频信号从中频AM信号中解调出来完成射频接收机的二次变频。
　　设计包络检波电路应注意以下三点：
　　1.时间常数应满足：
　　低通滤波器的时间常数远大于载波周期，即电容C对高频载波近似短路，滤除高频分量。低通滤波器的时间常数小于调制信号周期，即低通滤波器的通频带让低频调制信号通过。
　　2.不产生惰性失真：（ma为调制深度）
　　3.不产生负峰切割失真：
　　由上述公式可看出，调制深度m越小，越不容易产生惰性失真和负峰切割失真，包络检波电路得到的音频信号越完整。
　　（五）缓冲电路
　　由于包络检波电路末端电容C3易与低频放大器前端电阻构成RC滤波电路对信号的传输造成影响，故在包络检波电路与低频放大电路之间增加一个跟随器使得信号平稳傳输。 　　二、收發系统电路连接与调试
　　（一）收发系统输出测试
　　将《无线射频发射机系统设计与实现》中的发射机与本文设计接收机相连，进行系统调试。
　　用示波器测试射频发射机上变频电路模块，如图2所示。射频发射机上变频电路模块输入输出信号对比，蓝色信号为载波频率100kHz，基波频率2kHz的AM信号，黄色信号为上变频后的载波频率200MHz，基波频率2kHz的AM信号，信号完整，无明显失真。
　　用示波器测试射频接收机包络检波电路模块，如图3所示。射频接收机包络检波电路模块输入输出信号对比，黄色信号为载波频率10.7MHz，基波频率2kHz的AM信号，蓝色信号为2kHz的语音信号，信号完整，无明显失真。
　　（二）射频收发系统无线传输调试
　　将射频发射机与接收机各模块级联，在发射机信号输入端播放音频信号，信号通过天线传输，与此同时可在接收机音频播放端听到相同的音频信号，信号声音完整，无明显失真，射频收发系统实现无线传输。图4为示波器所显示的模块化射频收发系统发送端与接收端的音频信号。
　　蓝色信号为模块化射频发射机输入端频率为2kHz的正弦波语音信号。黄色信号为模块化射频接收机输出端信号，由图可见输出信号与输入信号的频率相同，且无明显失真，无线通信射频收发系统工作性能良好。系统实物如图5所示。
　　三、模块化无线通信系统开发研究意义
　　本课题的研究目的是提供一种可以便捷调幅，并巩固已学的理论知识，能够使我们建立无线电收发机的整机概念，了解接收机整机各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算接收机的各个单元电路。初步掌握小型调幅波收发机的调整及测试方法。该调幅信号处理系统是以提高学生创新实验能力和配合参加全国大学生电子设计大赛和《通信电子线路》课程的实验教学内容为目的而研发的，具有技术先进、实用性和通用性强、易操作、制作成本低等优点，各功能模块相对独立，十分方便二次开发和电子系统设计培训，主要研究意义从以下几个方面考虑。
　　（一）服务于电子竞赛
　　该模块化射频接收机实验系统是从往届赛题中提取出来的几个经典项目，将硬件的开发融入赛题的设计和实现，其创意与具体的功能实现来源于电子设计大赛，服务于电子设计大赛。并且训练内容和之后要参加的比赛直接相关，学生所获取的经验可以立即派上用场，对提高本校比赛成绩具有很大帮助。
　　（二）应用于实验课程
　　将开发的模块化射频接收机实验系统，制作成实验箱，用于通信电子线路课程的实验教学内容。模块内容设计不仅兼顾电子竞赛的设计内容，而且还紧贴通信电子线路课程教学大纲中对于实践内容的要求。通过模块中改变开关或者连接方式的变化，即可切换对课程和竞赛的不同要求。
　　（三）立足于学生创新
　　模块化设计理念为学生设计提供了资源，学生可以独立设计方案，替换系统中的模块，在系统中测试所设计模块的性能，为培养学生动手能力、创新能力搭建了一个多功能的实验平台。参加本次项目的同学可以通过设计并制作本系统得到创新思维的实际训练;而未参与的同学可以利用成形的实验系统进行基础训练与进一步自主创新开发，对学生创新能力提高大有裨益。
　　（四）实践于企业推广
　　模块化射频接收机实验系统的研发，也借助于相关企业需求的推动，系统的成功设计，有利于技术转让和通过企业的大范围推广。
　　四、结束语
　　本文通过对无线通信射频收发系统的原理、结构、设计进行研究，将射频接收机与发射机模块化，针对每一模块进行优化升级，提升整个收发系统的性能，实现无线传输射频收发系统的宽带宽，高速率，低噪声。为无线通信射频技术的研究提供一定的支持与参考。
　　参考文献
　　[1]刘中奇，沈学银.基于无线通信射频收发系统的研究与设计[J].信息系统工程，2017（6）：111-112.
　　[2]舒浩.新一代无线通信射频收发机系统的研究和实现[D].西安电子科技大学，2011：8.
　　[3]陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2006：36.
　　[4]张仕忠，钟俊森，张立立.无线射频发射机系统设计与实现[J].科技创新与应用，2019（12）：34-36.
　　[5]张胜.宽带无线通信系统射频收发前端研究[D].杭州电子科技大学，2011：15.
　　[6]崔立良.无线通信射频收发系统设计探究[J].数字技术与应用，2011（5）：210-211.
　　[7]戚龙.无线射频接收机模拟信道滤波器的选型设计[J].中国新技术新产品，2019（4）：31-32.
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