無(wú)線通信中射頻收發(fā)系統(tǒng)研究

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摘要:在當(dāng)今無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展中,中頻收發(fā)系統(tǒng)所發(fā)揮的作用至關(guān)重要。因?yàn)樵撓到y(tǒng)的主要功能是發(fā)送和接收移動(dòng)信號(hào),所以其設(shè)計(jì)效果將直接關(guān)系到信號(hào)發(fā)送和接收質(zhì)量。基于此,文章對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行研究,以此實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的發(fā)送與接收。

關(guān)鍵詞:無(wú)線通信;射頻收發(fā)系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

射頻屬于一種空間輻射形式的電磁波,射頻信號(hào)屬于對(duì)高頻電流調(diào)整之后所獲得的信號(hào),在無(wú)線信號(hào)中,射頻信號(hào)具有較高的頻率。目前,射頻信號(hào)已經(jīng)在人們的工作和生活中得以廣泛應(yīng)用,并發(fā)揮不可或缺的作用。為實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的良好應(yīng)用,技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)無(wú)線通信過程中的射頻收發(fā)系統(tǒng)研究,以此來(lái)發(fā)揮該技術(shù)的充分優(yōu)勢(shì),促進(jìn)無(wú)線通信的發(fā)展。

1無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)概述

1.1射頻發(fā)射機(jī)

在無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)中,射頻發(fā)射機(jī)可借助于功率的調(diào)制、放大、上變頻以及濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻基帶信號(hào)到高頻射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)變。發(fā)射機(jī)的主要組成部分包括混頻器、放大器、濾波器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、本振器、調(diào)制器和天線等。具體應(yīng)用中,首先借助于調(diào)制器對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的低頻基帶信號(hào)進(jìn)行初步調(diào)制處理。其調(diào)制方式通常有兩種,其一是數(shù)字調(diào)制,其二是模擬調(diào)制。借助于本振器,可進(jìn)行信號(hào)處理和信號(hào)到混頻器的傳送,最后借助濾波器對(duì)頻率進(jìn)行濾波處理。在此過程中,DAC主要負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換,濾波器主要負(fù)責(zé)信號(hào)的進(jìn)一步處理,去除信號(hào)中的干擾信號(hào),并讓有效信號(hào)得到進(jìn)一步的優(yōu)化。通常情況下,濾波器主要包括射頻濾波器、鏡像抑制濾波器以及選擇濾波器等。在頻率調(diào)制器中,混頻器屬于一種重要的調(diào)制器,其主要作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行變頻處理,讓原來(lái)的基帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)到高頻射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)變[1]。圖1為射頻發(fā)射機(jī)工作原理。圖1射頻發(fā)射機(jī)工作原理

1.2射頻接收機(jī)

在射頻收發(fā)系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程中,射頻接收機(jī)的主要功能是接收來(lái)自于射頻發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào),然后對(duì)其進(jìn)行變頻處理,讓射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l信號(hào),然后再對(duì)其信息進(jìn)行有效解調(diào)。在整個(gè)無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)中,射頻接收機(jī)位于其前端,所以其性能的好壞將會(huì)對(duì)整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生直接的影響。在射頻信號(hào)經(jīng)天線接收空間傳輸給LNA放大器之后,變頻操作可以將這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)變成低頻形式的基帶信號(hào),然后對(duì)其中的有效信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理,并使其幅度被科學(xué)放大,最后借助ADC實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。接下來(lái),借助于DSP處理或者是借助于后端設(shè)備來(lái)進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)的科學(xué)處理[2]。其中,動(dòng)態(tài)范圍、鄰信道選擇性、噪聲系數(shù)以及信號(hào)靈敏度等是其常見指標(biāo)。圖2是射頻接收機(jī)的工作原理。

2無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

在對(duì)無(wú)線通信過程中的射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,設(shè)計(jì)者主要應(yīng)對(duì)FPGA外圍電路、射頻發(fā)射機(jī)、射頻接收機(jī)以及天線的設(shè)計(jì)做重點(diǎn)考慮。因?yàn)檫@些都是此系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,其設(shè)計(jì)效果將會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生直接影響。所以在具體設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者一定要充分考慮系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求,并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)科學(xué)設(shè)計(jì)重要部分。以下是其具體設(shè)計(jì)分析。

2.1FPGA外圍電路設(shè)計(jì)

FPGA具有容量大、靈活度高以及處理能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì),是軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的一個(gè)重要手段。在早期應(yīng)用中,其可編程的器件主要有CPLD,GAL以及PAL,而在科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步中,FPGA開始逐漸將這些器件取代。在ASIC中,FPDA屬于一種半定制形式的電路,此類電路不僅可以讓定制電路靈活性較差問題得以有效解決,同時(shí)也有效避免了可編程形式器件中的門電路有限問題。在FPGA中,LCA邏輯單元陣列有若干個(gè),每一個(gè)陣列中都含有可配置形式的CLB邏輯模塊、IOB輸入輸出模塊以及可編程形式的互聯(lián)總線[3]。相比較傳統(tǒng)可編程器件而言,FPGA不僅讓電路實(shí)現(xiàn)了科學(xué)組合,同時(shí)也讓時(shí)序電路得以實(shí)現(xiàn),借助于小型查找表,便可實(shí)現(xiàn)其組合邏輯;而借助于相應(yīng)的查找表,也可以實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯到D觸發(fā)器輸入端之間的連接。這些觸發(fā)器將會(huì)給其他的邏輯電路以及輸出輸入口提供驅(qū)動(dòng)。這些模塊主要借助可編程形式的金屬連線來(lái)進(jìn)行連接,或者是和外部的輸入輸出口進(jìn)行連接。邏輯單元中的各項(xiàng)功能、各個(gè)模塊之間所具有的連接關(guān)系以及模塊輸入和輸出接口之間的連接關(guān)系都由存儲(chǔ)單元值所決定,FPGA的功能也由此得以實(shí)現(xiàn),同時(shí)也可以無(wú)限次對(duì)FPGA進(jìn)行編程處理。

2.2發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

在射頻發(fā)射機(jī)的性能評(píng)價(jià)中,調(diào)制特征、互調(diào)指標(biāo)、射頻輸出頻率、平均載波頻率以及頻率穩(wěn)定度等都是其評(píng)價(jià)指標(biāo)。在具體設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員需要對(duì)功率放大器所具有的調(diào)制處理功能加以重點(diǎn)考量,同時(shí)也應(yīng)該根據(jù)信號(hào)頻率的具體結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣的方式可以有效保障信號(hào)在經(jīng)過發(fā)射機(jī)處理之后能夠與天線的實(shí)際發(fā)射需求相符。通常情況下,發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)主要包括兩部分:一是放大電路,二是晶體振蕩電路。在對(duì)放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,一定要注重三極管的科學(xué)選擇,使其在靜態(tài)工作中充分滿足實(shí)際電流需求,確保電路中的工作電阻和工作電壓滿足實(shí)際需求。在對(duì)晶體振蕩電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,應(yīng)將電路設(shè)計(jì)為并聯(lián)形式,同時(shí)應(yīng)對(duì)晶體本身質(zhì)量和振子具體結(jié)構(gòu)加以綜合考慮,讓電路對(duì)于振蕩性的實(shí)際需求得以全面滿足。

2.3接收機(jī)設(shè)計(jì)

在對(duì)射頻接收機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,需要將通信系統(tǒng)中的信道性能作為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在具體設(shè)計(jì)中,一定要綜合分析接收機(jī)自身的實(shí)際性能要求,對(duì)其頻率性能和工作信道指標(biāo)加以科學(xué)確定。然后以此為依據(jù),對(duì)濾波器中的各項(xiàng)工作參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì),包括濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)、滾降等。以上述參數(shù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì),讓傳輸信號(hào)和本振信號(hào)在混頻器內(nèi)的頻率保持一致。為實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的科學(xué)規(guī)劃與設(shè)計(jì),需對(duì)其電路圖的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,分別對(duì)前端電路、下變頻電路以及基帶電路進(jìn)行指標(biāo)分析,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)這些電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)射頻前端電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,應(yīng)對(duì)電路的具體組成做到充分了解,并做好基帶電路以及下變頻電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),以此來(lái)確保射頻接收機(jī)應(yīng)用效果的進(jìn)一步提升。

2.4天線設(shè)計(jì)

在通過射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信的過程中,天線是實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。因此,天線也是該系統(tǒng)中不可或缺的一個(gè)重要組成部分。在該系統(tǒng)的具體應(yīng)用中,天線的主要功能是對(duì)電磁波進(jìn)行轉(zhuǎn)化與傳輸。由此可見,天線在該系統(tǒng)中主要被用作對(duì)電磁波進(jìn)行轉(zhuǎn)化與傳輸?shù)脑O(shè)備。因此在實(shí)際的射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)者一定要充分注重天線的合理設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐應(yīng)用和具體分析可知,位移電流在天線應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)過程中具有非常大的作用,而天線中的位移電流所具有的空間推進(jìn)能力更是會(huì)對(duì)電磁波輻射能力產(chǎn)生決定作用。通常情況下,如果電源具備越高的頻率,其位移電流也就會(huì)越強(qiáng),同時(shí)其電磁波輻射能力也會(huì)越強(qiáng)[4]。基于此,在具體的天線設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)者一定要對(duì)這一指標(biāo)加以充分考慮,同時(shí)也應(yīng)該對(duì)天線的具體結(jié)構(gòu)做到全面均衡。通常情況下,射頻收發(fā)系統(tǒng)中的天線結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為帶點(diǎn)開放形式。這樣的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)天線的電磁輻射功能,以此來(lái)確保整體系統(tǒng)的應(yīng)用效果,滿足無(wú)線通信過程中的信號(hào)傳輸需求。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在當(dāng)今的無(wú)線通信行業(yè)不斷發(fā)展中,射頻收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用效果越來(lái)越為社會(huì)所關(guān)注。為進(jìn)一步提升射頻收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用質(zhì)量,滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)于無(wú)線通信過程中的射頻收發(fā)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)人員須不斷對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,并使其得以不斷的優(yōu)化。尤其是在新一代無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展中,關(guān)于射頻收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用和研究更應(yīng)該不斷深入,通過FPGA外圍電路、射頻發(fā)射機(jī)、射頻接收機(jī)以及天線的合理設(shè)計(jì)來(lái)確保通信效果,以此充分滿足無(wú)線通信的應(yīng)用與發(fā)展需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李偉斌,張學(xué)良,余煒平.基于混合波束賦形架構(gòu)的射頻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2020(12):190-193.

[2]曹琳,李文軍,劉少龍,等.基于射頻捷變收發(fā)器的ADS-B系統(tǒng)算法仿真及設(shè)計(jì)[J].航空計(jì)算技術(shù),2020(4):113-116.

[3]劉詩(shī)語(yǔ).多通道射頻接收前端分析與設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2020.

[4]楊正勇.無(wú)線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)探究[J].數(shù)碼世界,2020(5):24.

作者：余江 單位：廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司