（信息与通信工程专业论文）小型无线收发信机的设计.pdf

中文摘要 中文摘要中又摘姜 v h f u h f 频段的无线收发信机可广泛应用于多种用途的无线通信中，具有较高 的研究与开发价值，其应用的一个发展方向是通信终端的小型化和低功耗。 一个完整的无线收发系统电路一般包括小信号放大电路、锁相环电路、混频器 电路、自动增益控制电路、调制解调电路、射频和中频滤波电路等等。传统用分 立元件设计收发信机，一般电路复杂，电路板面积偏大，功耗较高。随着射频集 成电路技术的发展，v h f u h f 频段的射频工c 的集成度越来越高，目前已经出现了 集成完整射频前端收发功能的射频i c 。应用集成度高的射频i c 设计无线收发系统 可以简化系统设计、降低成本，同时可以实现收发系统的小型化和低功耗，提高 应用性和扩展应用范围。 本文主要讨论了基于无线收发芯片t h 7 1 2 2 实现v h f u h f 频段小型化无线收发 系统的设计与实现。t h 7 1 2 2 芯片面积小、功耗低，功能完备。t h 7 1 2 2 接收机部分 采用一次变频的外差式结构，发射机部分调制和上变频同时完成。t h 7 1 2 2 芯片内 部集成的锁相环电路产生本振，锁相环电路具有很宽的调谐范围，通过调整可以 实现2 7 m h z 9 3 0 m h z 本振信号的产生，具有很好的通用性。采用f m f s k 调制方式， t h 7 1 2 2 内置f m f s k 解调器，实现模拟语音和数字传输。本文以工程实践为基础， 给出了应用t h 7 1 2 2 实现无线收发系统的方案，并在系统小型化方面做出尝试，应 该对类似工程实践有所帮助。 本文首先对无线收发信机射频前端的结构和关键技术指标、f m f s k 调制原理 进行了分析，简单介绍p l l 频率合成器原理。之后详述了无线收发信机的系统设 计方案、具体硬件电路的实现以及在设计与实现中出现的难点和应该注意的问题， 最后给出系统的调试结果。 关键词：收发信机小型化t h 7 1 2 2f m f s k 调制锁相环 a b s t r a c t a b s t r a c t v h f u h fw i r e l e s st r a n s c e i v e r p o s s e s s e s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n s ，b e i n go f g r e a t v a l u ei nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t a d i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t i st h e m i n i a t u r i z a t i o na n dl o w p o w e rd i s s i p a t o no f c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l ， ac o m p l e t e dw i r e l e s st r a n s c e i v e rs y s t e mu s u a l l yc o n s i s t so fl n a ，p l l ，m i x e r , a g c ，m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，r fa n di ff i l t e re t c i fd e s i g n i n g t h et r a n s c e i v e r s y s t e mw i t hd i s c r e t ee l e m e n t s ，t h ec i r c u i t w i l lb ev e r yc o m p l i c a t e d ，a n dt h es i z eo fp c b i su s u a l l yt o ol a r g e ro rh i g h - p o w e rd i s s i p o r i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr fi n t e g r a t e d c i r c u i tt e c h n i q u e , t h ei n t e g r i t yo f v h f u h fb a n dr fi ci sm o r el a r g e r t h e r ea r es o m e n e wr fi ci n t e g r a t e dw i t ht r a n s c e i v e rf u n c t i o n a p p l i c a t i o no fl a r g e s c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i tc a r ts i m p l i f ys y s t e md e s i g na n ds a v ec o s t ，a n da c h i e v em i n i a t u r i z a t i o na n d l o w p o w e rd i s s i p a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sp r i m a r l yt h ed e s i g nm e t h o d so fm i n i a t u r i z a t i o nt r a n s c e i v e r s y s t e mb a s e do nt a n s c e i v e ri ct h 7 1 2 2 t h 7 1 2 2h a ss o m eg o o dc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha s s m a l la c r e a g e ，l o w - p o w e rd i s s i p a t i o na n dc o m p l e t e df u n c t i o n s t h ei n s i d er e c e i v e ri sa s i n g l e - f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns u p e r h e t e r o d y n e r e c e i v e r i nf i l e p a r to ft r a n s m i t t e r , m o d u l a t i o na n du p e a 3 n v e r s i o na r ep r o c e s s e da tt h es a n - l et i m e t h ei n t e g r a t e dp l l c i r c u i tp r o d u c e sl o c a lo s c i l l a t i o n , i tc a nb et u n e di nw i d eb a n da r e a ，f r o m2 7 m h z 幻 9 3 0 m h zw t hg o o du n i v e r s a lp r o p e r t y f ma n df s km o d u l a t i o nm o d e sa r ee m p l o y e dt o t r a n s m i tt h ea u a l o ga n dd i g i t a ls i g n a l s b yt h i sw a y , t h i st h e s i si m p l e m e n t e dt h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m i nt h et h e s i s ，f i r s t l ye x p o u n d st h ec o n f i g u r a t i o no ft r a n c e i v e r , t h em o d u l a t i o n p r i n c i p l eo ff m f s k ，a n di n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f p l l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r t h e n ，t h es y s t e ms c h e m ea n a l y s i s ，t h ed e s i g no fh a r d w a r e ，a n d s o m e q u e s t i o n s n e e dp a y i n gm o r ea t t e n t i o ni ns y s t e md e s i g na n dd e b u g g i n ga r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e u l t i m a t et e s t i n gr e s u l t sa r er e p r e s e n t e da tl a s t k e y w o r d s ：t r a n s c e i v e r m i n i a t u r i z a t i o nt h 7 1 2 2 f m f s km o d u l a t i o np l l i i 图目录 图2 1 再生式接收机原理图 图目录 图2 - 2 直放式接收原理图3 图2 - 3 超外差式接收机原理图 图2 - 4 组合频率引起的寄生通道干扰6 图2 - 5 镜像频率干扰的产生 图2 - 6 二次变频方案结构原理图7 图2 7 直接下变频方案原理方框图8 图2 - 8h a r t l y 结构 图2 - 9 时域和频域9 0 度移项l o 图2 1 0w e a v e 结构镜像抑制混频器1 1 图2 1 1 基于软件无线电的数字接收机1 1 图2 1 2 直接变换法原理框图1 2 图2 1 3 间接变换法原理框图1 2 图3 - 1 系统设计原理框图1 6 图4 1 随机信号幅度概率密度2 3 图4 2 随机信号调频后的功率谱2 3 图4 - 3 理想鉴频器的特性曲线和方框图2 5 图4 - 4 平衡鉴频器原理图和特性曲线2 5 图4 5 相干解调方框图2 6 图4 62 f s k 信号典型波形2 7 图4 72 f s k 信号功率谱2 7 图4 82 f s k 信号的产生( 一) 2 8 图4 92 f s k 信号的产生( 二) 2 8 图4 1 02 f s k 信号解调器2 9 图5 1t h 7 1 2 2 芯片内部结构框图3 l 图5 2r a 0 7 m 1 3 1 7 m 内部结构框图3 1 图5 3l b s l 3 8 0 7 频率响应曲线3 2 图5 4 改进后设计框图3 3 v 图目录 图5 5a d g 9 1 9 结构框图 图5 6s f e c v l 0 m 7 j a 频率响应曲线 图5 7c d s c b l o m 7 g a l l 3 频响特性曲线 图5 8 锁相环的基本组成 3 3 3 4 3 4 。3 5 图5 - 9 锁相环反馈环路中插入分频器模型3 7 图5 1 0 二阶无源低通环路滤波器 图5 1 l 二阶有源积分环路滤波器。 3 7 3 8 图5 1 2t h 7 1 2 2 控制位功能4 0 图5 1 3t h 7 1 2 2 配置端口时序图4 1 图5 1 4t h 7 1 2 2 锁相环结构示意图4 1 图5 1 5t h 7 1 2 2 内置v c o 结构4 2 图5 1 6 改进后v c o 电路 图5 - 1 71 2 7 6 5 0 m h z ( s p a n1 m h z ) 频谱图 4 3 4 3 图5 1 81 2 7 6 5 0 m h z ( s p a n5 0 k h z ) 频谱图4 3 图5 1 91 3 8 3 5 0 m h z ( s p a n1 m h z ) 频谱图4 4 图5 。2 01 3 8 3 5 0 m h z ( s p a n1 0 0 k h z ) 频谱图4 4 图5 2 11 3 8 8 0 0 m h z ( s p a n1 m h z ) 频谱图4 4 图5 2 2c r y s t a lp u l l i n g 调制方式4 5 图5 2 3v c o 直接调制示意图4 6 图5 2 4 环路滤波器和v c o 直接调制电路图 图5 - 2 5 调制信号频谱( s p a n l 0 0 k h z ) 4 7 4 7 图5 2 6 调制信号频谱( s p a n 7 0 k h z ) 4 7 图5 2 7 调频电路原理图4 9 图5 2 8b b 6 3 9 频率为1 m h z 时特性曲线4 9 图5 2 94 10 m h z 本振s p a n l 0 m h z 5 1 图5 3 04 1 0 m h z 本振s p a n l m h z 5 1 图5 3 14 1 2 m h z 本振s p a n 5 0 k h z 5 1 图5 3 2s p a n 为3 0 k h z 时调制信号频谱5 2 图5 3 3s p a n 为1 0 k h z 时调制信号频谱5 2 图5 3 4 典型的语音信号波形图5 2 图5 3 5 语音信号f m 调制后的频谱 5 2 图5 3 6f s k 已调信号频谱图5 3 v i 图目录 图5 - 3 7 示波器鼹察调毒l 信号窝瓣调绩号。 5 3 图5 3 8m c 3 4 1 1 9 内部结构和典型应用电路”5 4 v h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：赵苤盛莛日期：渺7 年岁月彰日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：是盎壹是导师签名：，蕴鱼垫 日期：卯7 年f 月歹日 第一章引言 第一章引言 作为一个应用性非常广泛的技术，无线通信收发机的用途覆盖了无线电通 信、电视广播、无线电广播、雷达定位、遥测遥控、卫星通信以及现在已经完全 进入普通人家的移动通信系统等等各个领域。 v h f 和u h f 频段是应用较为广泛的频段，根据i e e e 频段划分标准【1 1 ，v h f 频段( 甚高频) 频率范围3 0 3 0 0 m i - i z ，波长1 0 l m ，主要应用领域：商业f m 广播( 8 8 1 0 8 m h z ) 、商业电视( 5 4 2 1 6 m h z2 1 3 频道) 、移动通信( 集群) 、 船舶、航空通信等。u h f 频段( 特高频) 频率范围3 0 0 3 0 0 0 m h z ，波长1 o 1 m ， 主要应用领域：商业电视( 1 4 8 3 频道) 、陆上移动、蜂窝电话、雷达、导航系统、 微波及卫星无线电系统。 v h f u h f 频段的移动通信主要传送语音、文字、图像、数据等信息，该频段 反射和折射现象较严重，空气的衰减较大，不适合于作远距离通讯，但是该频段 频率较高，天线可以做得较小，特别适合城区移动通讯。我国在1 9 8 5 年之前移动 通信主要用于专用移动通信方面，使用v t t f 、u h f 频段的移动用户几乎全是专用 移动通信用户，绝大部分使用对讲通话手段。自8 0 年代后期开始由于蜂窝移动通 信系统的快速发展，主要用于专用移动通信系统的模拟集群系统发展缓慢。目前 市场上语音通讯的f ，i m f 频段的无线收发信机，一般体积较大，对于专用移动 通信收发信机还有很大的空白。随着应用的日益广泛，例如u h f 频段r f i d 技术 的快速发展，小型化、微型化的专用移动通信收发信机的研制有了越来越广阔的 空间。 随着集成电路技术的发展，射频芯片的集成度越来越高，这促进了无线通信 终端更趋于小型化。目前许多厂商推出了面积较小，集成完整射频前端收发功能 的v h f u h f 频段射频i c ，这些芯片共同特点是体积小，功能完善，只需要较少 的外部分立元件、较小的电路板面积就可以实现一个完整收发系统。这使得系统 的成本得以大幅度的降低，同时可以实现无线收发信机小型化甚至微型化和低功 耗，大大推广了应用范围。 本课题为：小型化无线收发信机的设计。工作频段在v h f 和u h f 频段，主 要设计目标是无线收发信机系统的实现，尽量小型化和低功耗，并且应用同一种 设计方法实现在不同频带范围内收发信机系统设计。 一1 电子科技大学硕士学位论文 在整个学习期间，主要完成应用无线收发芯片t h 7 1 2 2 实现v h f 频段无线收 发信机设计、u h f 频段无线收发信机的设计，并且在以上工作的基础上，尝试并 实现语音通讯无线收发信机的小型化。本文设计中语音通讯采用f m 调制方式， f m 调频广泛应用于广播和语音通信；数据通信采用f s k 调制方式，f s k 调制是 一种非线性恒包络调制，有较强的抗噪声和抗干扰的能力。在通信系统中调制有 着十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移 到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系 统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信 系统的性能。 本文的主要工作有： ( 1 ) 根据项目的总体技术指标要求和要求实现的功能对无线收发系统进行整体 规划和设计。 ( 2 ) 搜集查找系统中所涉及的各集成电路芯片资料，进行比较分析和选择，并 完成具体电路的设计、p c b 板布局。 ( 3 ) 调试硬件电路，最终实现系统功能与指标。 ( 4 ) 根据调试过程提出了实际系统设计与调试中应该着重注意与必须考虑到的 问题，同时给出解决方案。 论文结构安排： 第二章主要介绍了接收机和发射机的发展历史和一般结构，并对各种不同的 结构进行比较； 第三章主要讨论了本设计中无线收发信机的系统的先期规划； 第四章主要分析了f m 和f s k 调制原理，介绍f m 和f s k 调制和解调的方法 和实现电路； 第五章具体介绍不同频段依据不同要求的实际系统设计和硬件调试过程； 第六章对所完成的工作进行总结。 2 第二章无线收发信机简介 2 1 接收机简介【2 】 第二章无线收发信机简介 “无线电”这一名称大约起源于1 9 1 9 年，为的是把接收话音的无线接收机 与更早期的仅接收脉冲电码的接收机区别开。最早的接收机没有放大信号的能 力，但随着晶体管的发明很快克服了此缺陷，不久e h 。阿姆斯特朗发明了“再 生式接收机”，这种接收机采用了从输出端到输入端的正反馈来提高增益，其结构 原理图如图2 1 所示。电路中的真空管同时作放大器和检波器。反馈的交流输出信 图2 - 1 再生式接收机原理图 号与输入信号同相，从而增加了环路增益。再生式接收机大概是电子反馈的最初 应用，由于这种电路易于自激振荡，迅速导致了振荡器的发明。不久，调谐直放 式接收机( t k f ) 就取代了再生式接收机，典型的直放式接收机如图2 2 所示。 调谐街通调谐街通 图2 - 2 直放式接收原理图 3 ) 0 y 、 yf一 电子科技大学硕士学位论文 它由多级级联的射频调谐放大器以及其后的检波器组成，这种结构的接收机的最 大困难在于难以将全部的射频放大器调谐到同一频率上，而且由于调谐滤波器的 通带很宽，接收机的选择性差。t r f 结构接收机的所有增益都在r f 级完成，因此 随着频率的升高，这种接收机的实现难度越大。之后幅度调制技术( a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 流行，频谱开始出现拥挤，选择性差的接收机在区分同时发射的不同 信号时表现得无能为力。1 9 1 8 年，利用真空三极管作本地振荡器和射频信号放大， a r m s t r o n g 发明了超外差( s u p e r h e t e r o d y n e ) 接收机，t r f 接收机就被淘汰了。经调 谐的射频信号和同步调谐的本地振荡器混频产生固定的中频，中频经放大后再经 真空电子管( f l e m i n gv a l v e ) 检波得到音频信号。超外差式接收机的结构方框图如图 2 3 。 2 2 接收机方案 厂- i 本振l i一 图2 - 3 超外差式接收机原理图 2 2 1 外差式接收机方案【3 】 “超外差”是指将射频输入信号与本地振荡器产生的信号相乘或差拍，即由 混频器后的中频滤波器选出射频信号与本振信号频率两者的和频或差频。 超外差式接收机射频部分的结构方框图如图2 3 所示，其关键部件是下变频 器。下变频器( 图中用乘法器表示) 将信号频率田。，和本振频率o ) z o 混频( 或称变 频) 后降为频率固定的中频信号，= ( - o g f - 0 ) , o ( 本振频率比射频高时，则中频为 口2 r f + 。 采用此方案主要基于以下三方面的考虑。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波频段选择对滤波器q 值的要求低的多。 图2 3 的两个带通滤波器，b p f l 的中心频率很高，因此带宽较大，它是选择频 4 第二章无线收发信机简介 带用的。而b p f 2 的中心频率较低，它是选择信道用的，即选择信道靠中频滤波器。 超外差式方案考虑的第二个出发点是，接收机从天线上接收到的信号电平一 般为1 2 0 1 0 0 d b m 。如此微弱的信号要放大到解调器可以解调或a d 变换器可 以工作的电平，一般需要放大1 0 0 2 0 0 d b 。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5 0 6 0 d b 。采用超外差式接收机方案后， 将接收机的总增益分散到了高频、中频、基带三个频带上。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的放大器要比在载波频段上做高增益的 放大器容易和稳定的多。 其三，在较低的固定中频上解调或a d 变换也相对容易。 当射频信号频率上升到微波甚至毫米波时，可以采用二次变频方法，以降低 滤波器实现的难度，保证接收机的选择性，即使在射频频率较低时，也可以采用 二次变频，且第一中频设计为高中频的方法来获得较好的镜像频率抑制。实际上， 现代接收机射频前端绝大多数设计为超外差结构。 在超外差式接收机中，下变频前面的高频放大器必须是低噪声放大器 ( 1 0 w - n o i s ea m p l i f i e r , 简称l n a ) ，因为变频器的噪声系数一般都较大，而前端的 带通滤波器b p f l 是无源滤波器，有一定的损耗，按多级线性系统级联的噪声系 数的公式得知，若无此低噪声放大器，则整个系统的噪声系数将很大。而在变频 器前引入具有一定增益的低噪声放大器可以减弱变频器和后面中频放大器的噪声 对整机的影响，从而对提高灵敏度有利。但l n a 的增益不宣太高，因为变频器 是非线性器件，进入它的信号太大，会产生众多非线性失真。l n a 的增益一般不 超过1 5 d b 。带通滤波器b p f l 可以放在l n a 前或l n a 后，放在后面对降低系统 噪声系数有利，放在前面可以对进入l n a 的信号进行预选，滤除了很多带外信 号，也就减少了由于l n a 的非线性引入的各种互调失真干扰。超外差式接收机的 最大缺点是组合干扰频点多。这是因为变频器往往并不是一个理想的乘法器，而 是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号和本振信号，以及混 入的干扰信号( 如频率为q 与吐的干扰信号) 通过变频器非线性特性中的某一高 次方项组合产生组合频率，比如f p 吼d + q c o 舻f 或旧吼d c o l + n c a 2 ) f ，若它们落在 中频频带内，就会形成对有用信号的干扰。通常把这些组合频率引起的干扰称为 寄生通道干扰。例如对于i 。一g 。，i = 国，+ a f ( a f 小于中频带宽) 时，这个 寄生的中频会与信号的有用中频，= 。，一t 0 。r 在后面的检波器中产生差拍信号o 而出现频率为a f 的啸叫声。又如当i 国。一2 ( 吼一m ，) i a 国，时，又形成了三阶互调 干扰，如图2 4 所示。 5 电子科技大学硕士学位论文 _ 图2 4 组合频率引起的寄生通道干扰 f 在寄生通道干扰中，一种称为“镜像干扰”的现象最为严重。一个与有用信 号相对于本振信号国。的另一侧且与本振频率之差也为中频国，的信号，即 国。= 国。+ ，称为镜像频率信号。如果它没有被变频器的前端电路滤除而进入 了变频器，即使变频器是一个理想的乘法器，镜频信号与本振混频后也为中频， 见图2 5 所示。由于中频滤波器无法将其滤除，它与有用信号混合降低了中频输出 的信噪比，形成了对有用信号的干扰。 要消除镜频干扰的唯一办法是不让它进入变频器，这要靠变频器前面的滤波 器b p f l 滤除。b p f l 能否有效滤除镜像频率，关键看b p f l 的q 值。载频一般 比中频高出很多，这就要求滤波器有很高的q 值。高的q 值用l c 回路是很难做 到的。不过在很多场合，b p f l 不是用l c 调谐回路，而是用其它类型的无源滤波 器，这些滤波器的引入必然增加信号的损耗。一般l n a 的增益约选1 5 d b ，那么 滤波器b p f l 的损耗不应超过几分贝。在有限的q 值范围内要有效的衰减镜像频 率，就必须增大中频频率。所以外差式接收机的一个重要问题是选择中频频率。 * r j l * ，f 图2 - 5 镜像频率干扰的产生 6 第二章无线收发信机简介 中频频率由上面的讨论可知，高的中频使镜像频率远离有用信号，利于抑制 镜像频率干扰，利于提高输出中频的信噪比，也就有利于提高接收机的灵敏度。 但是高中频使具有相同q 值的中频滤波器的带宽变大，必然降低了它对相邻信道 的抑制能力。而由前面讨论可知，接收机选择有用信道抑制邻道干扰主要是靠中 频滤波器b p f 2 ，因此高的中频降低了接收机的选择性，所以中频的选择考虑的是 “灵敏度”和“选择性”这一对矛盾的折中。中频值的选择主要根据接收机对主 要干扰的抑制要求和滤波器的可实现性。 二次变频方案为了解决中频选择中碰到的“灵敏度”和“选择性”的矛盾， 可以采用二次混频方案。 图2 - 6 二次变频方案结构原理图 l 中频采用高中频值，以提高镜像频率抗拒比( 接收机抑制镜像频率干扰的能 力) 。图中的第一第二个带通滤波器主要完成频带选择和滤除镜像频率。2 中频 采用低中频值。2 中频滤波器完成提取有用信道抑制领道干扰的任务。图中的放 大器，第一个是高频前端低噪声放大器，后面是相应的中频放大器，采用二次变 频方案，将接收机的总增益分配在三个频段中，比较稳定，一般2 中频放大器的 增益最高。放大器、变频器和滤波器之间应很好的阻抗匹配，才能保证有效地发 挥滤波器的滤波性能。 2 2 2 直接下变频方案 让本振频率等于载频，即取中频为口，= o ，就不存在镜像频率，也就不会有 镜像频率干扰。把载频直接下变频( d i r e c t - c o n v e r s i o n ) 为基带的方案也称零中频 方案( z e r o i f ) 。图2 7 为数字通信的直接下变频方案的原理框图。由于零中频信 号就是基带信号，而在数字通信里基带信号往往都是分成同相和正交的两路，所 以通过两个正交的本振信号，下变频直接变为v q 两路正交基带信号。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 直接f 变频方案原理方框图 除了没有镜像频率干扰外，直接下变频方案还有以下优点：接收机的射频部 分只包含了高频低噪声放大器和混频器，增益不高，易于满足线性动态范围的要 求，且由于没有抑制镜频滤波器，也就不必考虑放大器和它的匹配问题；由于下 变频后是基带信号，因此不必采用专用的中频滤波器来选择信道，而只需用低通 滤波器来选择有用信道，并用基带放大器放大即可，而这些电路都是很容易集成。 但是，与外差式接收机相比，零中频方案存在一些如下所述很难解决的问题。 1 本振泄漏：零中频方案的本振频率与信号频率相同，如果变频器的本振口与 射频口之间的隔离性能不好，本振信号就很容易从变频器的射频口输出，再通过 高频放大器泄漏到天线，辐射到空间，形成对信号的干扰。 2 l n a 偶次谐波失真干扰：两个频率相近的干扰信号进入l n a ，由于l n a 伏安特性非线性的偶次项引起的差频，在直接变频方案中就有可能会因为混频器 的不理想( r f 口与i f 口隔离不好) 而直接进入基带信号，造成干扰。 3 直流偏差：直流偏差是零中频方案特有的一种干扰，它是由自混频器引起的。 如上所述，如果由本振泄漏的本振信号又从天线回到高频放大器，进入下变频器 的射频口，它和本振口进入的本振信号经混频，差拍为零频率，即为直流。同样， 进入高频放大器的强干扰信号也会由于变频器的各口隔离性能不好而漏入本振 口，反过来它又和射频口来的强干扰经混频，差拍为直流。 这些直流偏差在超外差式接收机中是不可能干扰有用信号的，因为那时中频 不等于零。而在零中频方案中，将r f 信号转变为中频为零的基带信号，这些直 流偏差就叠加在基带信号上，而且这些大的直流偏差往往比射频前端的噪声还要 大，一方面使信噪比变差，另一方面还可能使混频器后的各级放大器饱和，无法 8 第二章无线收发信机简介 放大有用信号。 4 噪声：有源器件内存在的噪声随着频率的降低而增加，都集中在低频段。尤 其是场效应管的噪声比较大，它对搬移到零中频的基带信号产生干扰，降低信噪 比。一般直接变频接收机的主要增益放在基带级，前端射频部分的增益约为2 0 倍， 有用信号经下变频后的幅度不会大，噪声的影响就更严重。因此一般下变频器都 设计有一定的增益。 2 2 3 镜频 r p , t j 接收方案 外差式接收机是靠外接镜频抑制滤波器来滤除镜像频率干扰，而镜频抑制接 收方案( i m a g e - r e j e c tr e c e i v e r s ) 是采用改变电路结构来抑制超外差式接收机中的镜 像频率干扰。考虑到镜像频率。和信号频率缈，分别位于本振频率o j l o 的两边， 采用某些处理会对它们产生不同的影响。基本方案如图2 8 所示，也称为h a r t l e y 结构。在此方案中，用相互正交的两个本振信号去与来自l n a 的射频信号混频， 再将其中一路移相9 0 。，然后叠加，就可以得到抑制镜像频率的中频信号。 射出 图2 - 8 h a r f l y 结构 首先考虑相移9 0 。的作用。从时域上看，对于周期为t 的正弦信号，相移 9 0 。就时意味着延时t 4 ，如图2 - 9 ( a ) 所示。可以看出，对于正频率信号s i n c o t 延时t 4 变成c o s a ) t ，c o s o t 延时t 4 变成s i n c o t 。用指数函数表示时，由于 s i n c o t ：l ( e j “一e ，“1 白j 一c o s 耐= 一三( 口埘+ e 叫“) ( 2 1 ) 相移9 0 。的过程可以理解为如图2 1 0 ( b ) 所示的操作，即相移后信号的频 谱是相移前的信号频谱乘以函数 电子科技大学硕士学位论文 g ) = - j s g n ( c a ) ( 2 2 ) 的结果。从图2 9 = 警c o s ( c a 【o 一弦一睾c o s ( c a 0 一弦( 2 - 4 ) 将v c 国釉如 檩加霜靛输出为 o ) = v c ( f ) 十v s ( t ) = y 0 c o s ( c a 一”) ( 2 - 5 ) 可以番池，镜像抑制溅频的原理在于肖用射频信号和镜像干扰信号位子本振信号 的两边，它们和本振信号混频后取出的差拍信号频率，一个为正，一个为负。而 9 0 。移翔对频率为一) 0 的信号有不同的佟用结果，叠 加后即可抑制镜像干扰。 * 1 0 阿 | l 毛 第二章光线收发僚机箍奔 镜频抑制混频器逐可以采用图2 - 1 0 所示的方案，称为w e a v e r 绪构。夜这个 方案巾，惩第二个垂交混频器钱替粥。移鞠爨。 射 出 图2 - 1 0w e a v c x 结构镜频抑制混频器 为了消除第二混频的镜颓千扰，l 混频腐的低通滤波器成改用带通滤波器， 也可选用强+ 鳓= 国。，类似午零中频的方寰，或者采用其它措施。 h a r t l e y 与w e a v e r 下交换结构理论上完全消除了镜像响应与镜像噪声。然旆， 这两种方法虽然原理简单，健在实践中都有明显的缺点。h a r i l e y 结构相对简单， 两路僚道功率增益失配与相位失配相对较低，但是无法实现宽带球下变换，簧实 现宽带固定移耜器是相当困难的，且频率越搿，难度越大。w e a v e r 缩构是宽带球 下变羧的基础。第奉振激励滢频嚣下交频嚣的第一中频是丽定的，第二中颓可 以调谐到要求的i f 频率，但结构相对复杂，两路信道的失配度相对较大。 2 2 4 数字中频接收机 随着数字技术韵发展，蒸带信号的模拟信号处理被先进的数字信号处理所取 代。避十年来，随着数字信号处理技术进一步深入发展以及电子器件和工艺的飞 速发展，a d 变换的颓率飞速提高，采样频率已经从萋带进入到了较高的频攀， 即可以从中频敷接采样，继而进行数字信号处理。基本的原理框图如下图所承。 豳2 】萋于获释凭线电的数字i f 接收视 王 口 电子科技大学硕士学位论文 变频以届的中频信号经放大后直接迸行a d 交换，然后采用专用的数书信号 处理嚣饽，查曩数字下炎频嚣d d c ，滋行数字下变频处理，以降低数据流速搴，将 i f 数字信号变换成基带数字信号，再送至u 通用d s p 进行处理，完成各种数搦率相 对较低的数字基带馐号处理，如用数譬嬲调器进行v q 瓣调。 采用数字下变频盼优点怒，数字处理方法可以避免加两路的不一致。儇数字 中频方案的实现对a d 变换器豹速度、分辨率和噪声、线性度、动态范围以及带 宽等关键性能指标带来了非常商的要求。 纂于软件光线电数字中频接收机具有很强的灵活性。信邋功能可由软件控制。 通过软件可方便的完成系统频带调整，自适成选频，信号波形在线编程，调制解 调方式控制等。同时，具有缀强的开放性。系统硬佟模块采用模块化设计，系统 的更新换代变成7 软件版本静升级，模块闯静接蜀趸标准亿静。 2 3 发射枕方案 发射梳完成熬圭要动能霹灞裁、土交菝、凌率敖大和廷酝滤波。发射辊戆方案 比较简单，大致分为：直接变换法和两步法。直接交换法是将调制和上变频合而 兔一，在一令毫路里宠残；强步法罴将调露l 纛上交频分舞，先在鞍低豹孛频主进 行调制，然后将已调信号上变频搬移划发射的载频上。图2 1 2 ，2 1 3 分别是直接变 换法鞠嚣步法熬象理壤塑。 攀2 1 2直接交换法原壤疆匿 闰2 1 3两步法原理框瞰 - 1 2 - 一 囤 掀 p 一 一 乍忐 一 一 陟掀。国帆 ，、h， 囹黼 古j 扛 第二章无线收发信机简介 直接变换法简单，但有明显的缺点。由于发射信号是以本振频率为中心的通带 信号，经过功率放大或发射后的强信号会泄漏或反射回来影响本振，牵引本振频 率。特别是在为了节省能源，需要频繁的通断功率放大器时，产生的干扰更大， 本振频率不稳，则直接影响发射机的各项性能指标。 两次变换法可以明显的减弱直接变换法的缺点，而且由于调制是在较低的中频 上进行，正交的两支路容易一致。其中缺点是第二次上变频后必须采用滤波器滤 除另一个不需要的边带，为了达到发射机的性能指标，对这个滤波器的要求是比 较高的。 2 4 收发信机系统设计要求 对于发射机，设计主要要求：射频功率控制：由于移动台的远近效应，在通 信过程中必须对移动台的发射功率进行调整，以保证通信质量而不至于对其他信 道通信产生影响。射频输出频谱：对射频输出频谱要求主要是避免对邻道产生干 扰。本信道的频谱对邻道不应产生影响。杂散辐射：是指除了有用边带和邻道以 外的离散频率上的辐射。互调衰减：由于电路的非线性，发信机的载波和通过天 线进入的干扰信号产生了互调分量。相位误差：定义为发射信号的相位和理论上 最好信号的相位误差。频率精度：定义为考虑了调制和相位误差的影响后，发射 信号的频率与该射频信道标准频率之间的误差。 对于接收机，接收机的灵敏度、动态范围以及对各种干扰的抑制是主要设计 指标。 由收发信机的指标可知，最主要的指标：频率稳定度( 与振荡源的相位噪声 有关) 、输出频率、接收机的灵敏度( 与增益和噪声有关) 、动态范围以及对各种 干扰的抑制( 与滤波器和器件的非线性有关) 。从射频的角度，限制系统指标的最 主要的射频单元以及对它们的要求是：天线双工器的插入损耗必须很小；低噪声 放大器必须由很低的噪声系数、合适的增益、较高的三阶互调截点以及较低的功 耗；混频器应有较高的三阶互调截点以及较低的噪声；频率合成器应有较低的相 位噪声、切换速率快；滤波器的中心频率的热飘移要小、频率响应误差小。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章无线收发信机系统设计 v i - i f 频段无线收发信机设计主要完成“炸药震源同步控制及对讲通信系统” 工程项目的通信射频前端。整个项目主要完成以下的功能：控制震源激发、数 据采集并保证震源激发和数据采集同步，同时具有无线传输的对讲功能。该设 备是用于地震勘探的主要辅助设备之一。目前国外有同类的产品，但价格昂贵， 整个工程项目是为了替代国外的同类产品，降低产品成本而设计。 本项目要完成的工作是整个项目的通信部分，实现在特定频段实时的数据、 语音通讯。工作频段1 3 8 3 2 5 1 3 8 8 2 5 m h z ，频段内设十个信道，每个信道带宽 5 0 k h z 。要求可以允许多台仪器在不同信道同时工作。信道内数据传输速度 1 5 k h z s 。通信距离通视2 0 k m 。 u h f 频段无线收发信机是通信学院实验室建设项目。工作于四个点频 4 1 0 m h z 、4 1 2 m h z 、4 1 4 m h z 、4 1 6 m h z ，实现f m 语音调频和f s k 数字调制。主