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无线通信射频收发系统设计研究

射频是一种特定频率的电磁波信号,它可以在自由空间中传播,射频通信技术具有宽频带、高信息容量、体积小、可用频谱多、干扰小等特点,在无线通信系统中应用广泛,日常生活中有线电视信号就是通过由射频通信系统传送的。射频收发系统处理线通信系统中信号的接收和发射,它位于无线通信系统的最前端,关系到通信的质量。研究射频收发系统工作原理优化其设计方案,可有效提高无线通信质量。

一、射频收发系统的构成及工作原理

射频收发系统根据它的应用目的和使用环境的不同,会有不同的组成部分。但从射频收发系统的工作原理来看,射频发射机、射频接收机、天线是系统的基本组成部分。(一)射频发射机的构成及工作原理。射频发射机是通过调制、功率放大、上变频、滤波等手段把低频的基本频带信号转换为对应的高频信号,并把处理后的信号经天线发出。天线、滤波器、数模转换器、调制器、混频器、放大器、本振器等组成射频发射机系统。调制器通过数字调制或模拟调制的方式将低频信号向高频段传播;本振器通过数字分频电路、鉴相器电路,锁相环电路等将频率送至混频器;滤波器可以对不同的信号进行分离,得到特定频率的信号或消除干扰信号,滤波器种类繁多,实际使用时可根据需要处理信号的形式选用模拟滤波器或数字滤波器;数模转换器主要作用是完成数字信号到模拟信号的转换;混频器主要作用是实现频率变化,常用的有双平衡混频器和三平衡混频器。放大器是把信号通过幅度放大器增大或降低,在经由功率放大器将信号功率放大用以满足天线发射需要。(二)射频接收机的构成及工作原理。射频接收机主要作用是从天线接收的众多信号中选出基本频带所需的有用信号并放大。射频接收机的信号选择能力关系到信号的接收质量,影响无线通信射频收发系统的运行状况。射频接收机把天线接收到信号传送至低噪声放大器,通过两次下变频,将信号变为满足需要的基本频带信号。射频接收机主要性能指标要求包括:接收微弱信号的灵敏度要求,降低系统噪声系数要求,相似频率信号的选择能力要求及射频接收机接收信号大小比的动态范围要求,射频接收机的性能指标关系到无线通信射频收发系统运行质量。

二、无线通信射频收发系统的设计

无线通信射频收发系统的设计包含射频发射机的设计、射频接收机的设计及天线的设计三大部分。设计必须符合射频技术工作原理,使所设计的无线通信系统有良好的工作性能和较高的通信质量。(一)射频发射机设计。影响射频发射机设计的主要性能指标包括:平均载波频率、发信载频包络、射频输出频谱、射频的功率控制、杂散辐射、相位及频率误差、互调衰弱、调制特性及频率稳定度。射频发射机设计是通过功率放大器完成相应的调制处理,改变信号频率的结构,处理后的信号频率经由天线发出。射频发射机设计中,包含放大电路设计及晶体震荡电路设计:放大电路设计时应选择合适的三级管,满足三极管静态工作点电流适中合理调整电阻值保证电路内的工作电压。常用的晶体震荡电路为并联晶体震荡电路。晶体的质量及振子结构影响电路的振荡性能。其中克拉泼振荡电路工作最为稳定,回路受到电极管的影响被电容削弱掉,属于电容反馈三点式振荡器,所以克拉泼振荡电路的频率稳定性较高在射频发射机设计中经常被使用。(二)射频接收机设计。射频接收机设计时应依据通信系统要求使用的信道及频率进行基础设计。首先依据射频接收机的工作信道及频率确定以下性能指标,首先依据中心频率即射频前端电路中滤波器的中心频率来确定滤波器阶数、放大器的增益及降噪声系数;其次设置混频器时需考虑中频信号的频率,符合输入信号频率和本振信号的频率一致,同时选择合适的频率输入到电压源方便控制;最后设计搭建包含基带电路、下变频电路及射频前端电路的射频接收机电路图。放大器同滤波器构成射频前端电路,公分器、移相器及混频器构成下变频电路,由基带放大器和信道选择低通滤波器级联的两条支线构成基带电路,电路基础结构搭建完成后确定各电路基础部分的电路元件完成射频接收机设计。(三)天线的设计。无线通信射频收发系统中的电磁波是通过天线进行接收和发射的,天线是系统重要组成部分,射频接收机与发射机通过天线实现电磁波的传送。天线可以实现将接收到的空间电磁波转化为可经过传输线输送的电磁波,反之亦可实现将送达天线的电磁波转化为可空间传播的电磁波,是一种电磁波传送方式转换设备。电磁波向空间辐射的载体是天线,天线的设计需要满足以下特点方可实现电磁波的辐射:首先需要通过电场的高速变化在天线附近形成位移电流,电磁波的空间辐射是通过位移电流在空间内不断的向前推进来实现的。位移电流的空间推进能力与天线的电源频率有关,电源频率越高电磁波的辐射能力越强。其次天线需要具有带电的开放形结构才能实现辐射电磁波。

三、射频接收机和发射机的测试

接收机和发射机测试时需完成发射机增益与泄露以及接收机输入三阶交调点、增益步进及噪声系数等测试内容。首先,使用电源为射频接收机供电,保证电源电压为5V,使用频谱仪对射频接收机两端的信号进行检测。在输出端检测到的噪声信号经过滤波器后被削弱,输入端没有信号被检测到。根据信号经两次下变频后生成的基带信号频率范围,确定接收机增益变化范围,对发射机增益进行控制方便测试出接收机增益步进。其次,将噪声源连接到噪声分析仪器的输入口上,在频率范围为10-100MHZ及扫描点为400的扫描精度下对噪声分析仪进行校准,保证测试过程中噪声分析的准确性。校准完成后将射频接收机的输出端噪声信号连接到噪声分析仪上,得出接收机的最大增益下噪声系数。最后,发射机的系统功率决定电磁信号的传播距离,射频发射机的泄露值必须严格控制,防止影响发射系统的信噪比。在CGA中将信号发生器中的电磁波调至最大值,检测发射机输出功率,通过将频谱仪的检测端与发射机的输出端信号相连,检测发射机增益,得到边带及本振泄露功率与输出功率的比值。

本文对无线通信射频收发系统的构成及工作原理进行分析,明确无线通信射频收发系统的设计要求及测试重点。科技的进步推动了无线通信射频技术的快速发展,射频技术在人们的生活中得到广泛的应用,无线通信改变人们的生活及工作习惯,实现人与人、人与设备等方面的直接沟通。人们对无线通信系统的依赖性变强,要求变高。无线通信系统的工作性能和应用性能是系统设计的关键,依据无线通信射频技术基本原理完成的设计才能得到认可和应用。

作者:刘中奇 沈学银 单位:扬州万方电子技术有限责任公司

参考文献

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