无线通信中射频收发系统的研究与设计

余 江

(广州海格通信集团股份有限公司,广东 广州 510656)

0 引言

射频属于一种空间辐射形式的电磁波,射频信号属于对高频电流调整之后所获得的信号,在无线信号中,射频信号具有较高的频率。目前,射频信号已经在人们的工作和生活中得以广泛应用,并发挥不可或缺的作用。为实现射频信号的良好应用,技术人员应加强无线通信过程中的射频收发系统研究,以此来发挥该技术的充分优势,促进无线通信的发展。

1 无线通信射频收发系统概述

1.1 射频发射机

在无线通信射频收发系统中,射频发射机可借助于功率的调制、放大、上变频以及滤波来实现低频基带信号到高频射频信号的转变。发射机的主要组成部分包括混频器、放大器、滤波器、数据转换器、本振器、调制器和天线等。具体应用中,首先借助于调制器对数据转换器中的低频基带信号进行初步调制处理。其调制方式通常有两种,其一是数字调制,其二是模拟调制。借助于本振器,可进行信号处理和信号到混频器的传送,最后借助滤波器对频率进行滤波处理。在此过程中,DAC主要负责数字信号到模拟信号的转换,滤波器主要负责信号的进一步处理,去除信号中的干扰信号,并让有效信号得到进一步的优化。通常情况下,滤波器主要包括射频滤波器、镜像抑制滤波器以及选择滤波器等。在频率调制器中,混频器属于一种重要的调制器,其主要作用是对信号进行变频处理,让原来的基带信号实现到高频射频信号的转变[1]。图1为射频发射机工作原理。

图1 射频发射机工作原理

1.2 射频接收机

在射频收发系统的具体应用过程中,射频接收机的主要功能是接收来自于射频发射机的射频信号,然后对其进行变频处理,让射频信号转变为低频信号,然后再对其信息进行有效解调。在整个无线通信射频收发系统中,射频接收机位于其前端,所以其性能的好坏将会对整个收发系统产生直接的影响。在射频信号经天线接收空间传输给LNA放大器之后,变频操作可以将这个信号转变成低频形式的基带信号,然后对其中的有效信号进行解调处理,并使其幅度被科学放大,最后借助ADC实现模拟信号到数字信号的转变。接下来,借助于DSP处理或者是借助于后端设备来进行相应信号的科学处理[2]。其中,动态范围、邻信道选择性、噪声系数以及信号灵敏度等是其常见指标。图2是射频接收机的工作原理。

图2 射频接收机的工作原理

2 无线通信射频收发系统设计分析

在对无线通信过程中的射频收发系统进行设计的过程中,设计者主要应对FPGA外围电路、射频发射机、射频接收机以及天线的设计做重点考虑。因为这些都是此系统中不可或缺的组成部分,其设计效果将会对整体系统的应用产生直接影响。所以在具体设计中,设计者一定要充分考虑系统的实际应用需求,并根据实际情况来科学设计重要部分。以下是其具体设计分析。

2.1 FPGA外围电路设计

FPGA具有容量大、灵活度高以及处理能力强等诸多优势,是软件无线电实现重构的一个重要手段。在早期应用中,其可编程的器件主要有CPLD,GAL以及PAL,而在科学技术的不断进步中,FPGA开始逐渐将这些器件取代。在ASIC中,FPDA属于一种半定制形式的电路,此类电路不仅可以让定制电路灵活性较差问题得以有效解决,同时也有效避免了可编程形式器件中的门电路有限问题。在FPGA中,LCA逻辑单元阵列有若干个,每一个阵列中都含有可配置形式的CLB逻辑模块、IOB输入输出模块以及可编程形式的互联总线[3]。相比较传统可编程器件而言,FPGA不仅让电路实现了科学组合,同时也让时序电路得以实现,借助于小型查找表,便可实现其组合逻辑;而借助于相应的查找表,也可以实现时序逻辑到D触发器输入端之间的连接。这些触发器将会给其他的逻辑电路以及输出输入口提供驱动。这些模块主要借助可编程形式的金属连线来进行连接,或者是和外部的输入输出口进行连接。逻辑单元中的各项功能、各个模块之间所具有的连接关系以及模块输入和输出接口之间的连接关系都由存储单元值所决定,FPGA的功能也由此得以实现,同时也可以无限次对FPGA进行编程处理。

2.2 发射机设计

在射频发射机的性能评价中,调制特征、互调指标、射频输出频率、平均载波频率以及频率稳定度等都是其评价指标。在具体设计中,设计人员需要对功率放大器所具有的调制处理功能加以重点考量,同时也应该根据信号频率的具体结构来进行设计。这样的方式可以有效保障信号在经过发射机处理之后能够与天线的实际发射需求相符。通常情况下,发射机设计主要包括两部分:一是放大电路,二是晶体振荡电路。在对放大电路进行设计的过程中,一定要注重三极管的科学选择,使其在静态工作中充分满足实际电流需求,确保电路中的工作电阻和工作电压满足实际需求。在对晶体振荡电路进行设计的过程中,应将电路设计为并联形式,同时应对晶体本身质量和振子具体结构加以综合考虑,让电路对于振荡性的实际需求得以全面满足。

2.3 接收机设计

在对射频接收机进行设计的过程中,需要将通信系统中的信道性能作为基础来进行设计。在具体设计中,一定要综合分析接收机自身的实际性能要求,对其频率性能和工作信道指标加以科学确定。然后以此为依据,对滤波器中的各项工作参数进行科学设计,包括滤波器设计参数、滚降等。以上述参数为基础来进行滤波器的设计,让传输信号和本振信号在混频器内的频率保持一致。为实现接收机的科学规划与设计,需对其电路图的设计进行优化,分别对前端电路、下变频电路以及基带电路进行指标分析,以此来实现这些电路的优化设计。在对射频前端电路进行设计的过程中,应对电路的具体组成做到充分了解,并做好基带电路以及下变频电路的优化设计,以此来确保射频接收机应用效果的进一步提升。

2.4 天线设计

在通过射频收发系统进行无线通信的过程中,天线是实现无线信号传输的关键部件。因此,天线也是该系统中不可或缺的一个重要组成部分。在该系统的具体应用中,天线的主要功能是对电磁波进行转化与传输。由此可见,天线在该系统中主要被用作对电磁波进行转化与传输的设备。因此在实际的射频收发系统设计过程中,设计者一定要充分注重天线的合理设计。通过实践应用和具体分析可知,位移电流在天线应用功能的实现过程中具有非常大的作用,而天线中的位移电流所具有的空间推进能力更是会对电磁波辐射能力产生决定作用。通常情况下,如果电源具备越高的频率,其位移电流也就会越强,同时其电磁波辐射能力也会越强[4]。基于此,在具体的天线设计过程中,设计者一定要对这一指标加以充分考虑,同时也应该对天线的具体结构做到全面均衡。通常情况下,射频收发系统中的天线结构应设计为带点开放形式。这样的设计可以实现天线的电磁辐射功能,以此来确保整体系统的应用效果,满足无线通信过程中的信号传输需求。

3 结语

综上所述,在当今的无线通信行业不断发展中,射频收发系统的应用效果越来越为社会所关注。为进一步提升射频收发系统的应用质量,满足当今社会对于无线通信过程中的射频收发系统实际应用需求,设计人员须不断对该系统的设计进行研究,并使其得以不断的优化。尤其是在新一代无线通信技术的应用和发展中,关于射频收发系统的应用和研究更应该不断深入,通过FPGA外围电路、射频发射机、射频接收机以及天线的合理设计来确保通信效果,以此充分满足无线通信的应用与发展需求。