無線通信射頻接收技術(shù)分析
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摘要：本文在研究通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，分析了單次變頻超外差式接收機(jī)架構(gòu)、雙重變頻超外差接收機(jī)的模型架構(gòu)和通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)方案，最后提出無線通信接收機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供借鑒。
關(guān)鍵詞：無線通信；接收機(jī)；電路架構(gòu)
隨著科技的不斷進(jìn)步，無線通信已經(jīng)完全融入人們的日常生活中，智能化電子產(chǎn)品已經(jīng)成為主要趨勢(shì)。這些智能化產(chǎn)品的發(fā)展與產(chǎn)生，都離不開無線控制模塊。無線控制模塊是利用無線通信技術(shù)進(jìn)行無線傳輸?shù)囊环N模塊。無論是哪類智能產(chǎn)品，想要實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、智能化，都要通過無線模塊完成信號(hào)傳輸。同時(shí)，隨著產(chǎn)品的集成化、小型化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，無線通信技術(shù)已開始從模擬型轉(zhuǎn)向數(shù)字型，而且正在向軟件型方向發(fā)展［1］。其中，實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)耐ㄐ艡C(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生重大變化。
1通信系統(tǒng)基本模型
根據(jù)電信號(hào)傳遞的媒質(zhì)不同，通信可分為有線通信和無線通信兩大類［2］。有線通信指電信號(hào)通過導(dǎo)線、電纜線、光纜線等有線媒質(zhì)傳遞的通信方式；無線通信指電信號(hào)利用空間電磁波的傳播作為媒質(zhì)進(jìn)行傳遞信號(hào)。任何通信系統(tǒng)，都是把發(fā)送端的信息傳送到接收端，因而通信系統(tǒng)可以用如圖1所示的模型來表示。發(fā)送端信息源的作用是把各種各樣的消息變換成原始的信號(hào)。發(fā)送設(shè)備則將各種原始信號(hào)轉(zhuǎn)化成適合在信道中傳輸?shù)囊演d頻信號(hào)。接收設(shè)備是將信道送來的已調(diào)載頻電信號(hào)變換成原始電信號(hào)，送給受信者。信道就是傳遞電信號(hào)的媒質(zhì)，對(duì)于有線通信，其是指?jìng)鬏攲?dǎo)線、電纜線、光纖電纜等，對(duì)于無線通信，其是指空間傳播的電磁波。最后，受信者將原始電信號(hào)變換成消息，從而完成消息的傳遞過程。目前常見的接收設(shè)備有超外差式接收機(jī)、零中頻接收機(jī)、鏡像抑制接收機(jī)以及數(shù)字中頻接收機(jī)等［3-4］。超外差式接收機(jī)將通過變頻一次或多次將射頻己調(diào)信號(hào)變頻到易處理的中頻上，最終對(duì)中頻已調(diào)信號(hào)進(jìn)行處理放大、濾波與解調(diào)。因?yàn)橥ㄟ^適當(dāng)?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈活性，因此這種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最可靠的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，隨著濾波器制造工藝的提高，與天線相連的濾波器在較大程度上抑制了鏡像頻率，提高了抗干擾能力。而其他接收設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性價(jià)比低，因此本文主要分析超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)。
2單次變頻超外差式接收機(jī)設(shè)計(jì)
單次變頻超外差式接收機(jī)如圖2所示。接收信號(hào)頻率范圍是500kHz～30MHz，即中、短波段。圖中預(yù)選回路的作用是讓這一頻率范圍的信號(hào)都能通過，而其他頻率的信號(hào)則全部濾除，因而預(yù)選器送入混頻器的信號(hào)就是所要接收的500kHz～30MHz信號(hào)。送人混頻器的本地振蕩信號(hào)頻率比接收頻率高出455kHz，即為955kHz～30.455MHz?；祛l器把這兩個(gè)輸入信號(hào)相混以后由中頻濾波器取出差頻455kHz，差頻455kHz即為中頻信號(hào)。不論如何調(diào)諧接收機(jī)，中頻是永遠(yuǎn)不變的。所以，將所有接收頻率都變成處理一個(gè)相同頻率的信號(hào)，這就是超外差式接收至今仍被認(rèn)為是一種最佳設(shè)計(jì)方案的原因。455kHz的中頻信號(hào)仍然包含有從天線進(jìn)入的信號(hào)的信息，其在中頻放大器中被選頻放大后，進(jìn)入檢波器檢波解調(diào)；再經(jīng)低放放大后，送入揚(yáng)聲器變換成音頻信息。為保證本振頻率始終高出接收頻率455kHz，必須使預(yù)選回路和本振回路實(shí)現(xiàn)統(tǒng)調(diào)。統(tǒng)調(diào)可以使預(yù)選回路電容和本振回路電容采用一個(gè)同軸的雙聯(lián)可調(diào)電容，選取合適的電容變化量就可以使本振頻率在接收波段內(nèi)永遠(yuǎn)高出接收頻率455kHz。
3鏡像干擾及抑制方案
從天線進(jìn)入的接收信號(hào)和本地振蕩器混頻以產(chǎn)生要進(jìn)一步放大的中頻信號(hào)。本振頻率可以高于或低于天線進(jìn)人的接收信號(hào)頻率一個(gè)中頻值。如有一電臺(tái)的頻率是15.000MHz，其也將和14.545MHz的本振混頻并產(chǎn)生455kHz的中頻信號(hào)。若接收機(jī)前端的選擇性差，而15.000MHz信號(hào)臺(tái)的功率又強(qiáng)，則當(dāng)接收機(jī)調(diào)諧在14.090MHz時(shí)，此15.000MHz的信號(hào)也將收聽到，因而干擾了實(shí)際要接收的14.090MHz信號(hào)，即為鏡像干擾。當(dāng)振蕩器振蕩頻率高于需要接收信號(hào)的頻率時(shí)，鏡像頻率為接收頻率加2倍中頻頻率；若振蕩器振蕩頻率低于需要接收信號(hào)的頻率時(shí)，則鏡像頻率為接收信號(hào)頻率減2倍中頻頻率。因此，在一個(gè)典型的455kHz接收機(jī)中，鏡像干擾將出現(xiàn)在比需要接收信號(hào)的頻率高910kHz的地方。中頻選擇在較低頻率455kHz時(shí)，鄰近波道選擇性就容易在中頻濾波和放大中實(shí)現(xiàn)。而中頻選擇在接收波段以上的較高頻率41MHz時(shí)，因?yàn)V波器和放大器性能使鄰近波道選擇性難以達(dá)到要求。為兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，即鏡頻抑制和鄰近波道選擇性要求，就出現(xiàn)了二次混頻超外差式接收方案：第一次混頻用高中頻（如41MHz），用于抑制鏡像干擾；第二次混頻取低中頻（如455kHz），用于提高鄰近波道選擇性。
4雙重變頻超外差接收機(jī)設(shè)計(jì)
雙變頻電路實(shí)現(xiàn)兩次變換頻率，如圖3所示。第一步用一個(gè)本地振蕩器LO1將頻率變換到大于455kHz的頻率，典型值為5.5、9、10.7、21.4MHz或41MHz，使鏡像頻率足夠高，以便在預(yù)選器中將其抑制掉。第一中頻濾波是用LC濾波器或晶體濾波器；第二次變頻至455kHz，濾波器可采用聲表面濾波器或陶瓷濾波器。第二個(gè)振蕩器是一個(gè)可變振蕩器，變化范圍一般為1MHz或500kHz。第一中頻的帶寬應(yīng)等于第二振蕩器的頻率覆蓋范圍，通?？紤]帶寬為1MHz。有時(shí)第一中放采用可調(diào)節(jié)預(yù)選器，通常稱可變通帶中頻?？勺兺◣У恼{(diào)整是借助于變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)諧的，加在變?nèi)荻O管上的偏壓跟蹤接收信號(hào)的頻率。這個(gè)電壓由數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。第三個(gè)混頻器用作乘積檢波器，對(duì)接收連續(xù)波（CW）和單邊帶（SSB）信號(hào)是必要的；第三振蕩器稱作拍頻振蕩器（BFO）。為了能使第一中頻（高中頻）成為便于放大處理的單一頻率，如41MHz，目前第一混頻是頻率合成器，二混是單一頻率，二中放也為單一頻率，如455kHz或9MHz。圖4所示為上變頻雙重變頻方案，一中頻采用75MHz，其濾波采用75MHz單片晶體濾波器，帶寬為10kHz。第一混頻本振為鎖相頻率合成器，在頻率范圍內(nèi)以每步10kHz提供粗調(diào)；精調(diào)在第二變頻中用另一頻率合成器來實(shí)現(xiàn)。該頻率合成器在10kHz的粗調(diào)范圍內(nèi)提供每隔100Hz的分辨率。第二中頻為9MHz，因?yàn)樵谶@個(gè)頻率上有較好的晶體濾波器，可以選用雙邊帶晶體濾波器。在2～30MHz的任一射頻信號(hào)，經(jīng)過天線進(jìn)入第一混頻器，第一本振減去信號(hào)得到75MHz中頻。這個(gè)本振是工作在77～105MHz每步0.0lMHz（l0kHz）的第一個(gè)頻率合成器。為了使第二本振可以在第二中頻中進(jìn)行細(xì)調(diào)，第一中頻最小帶寬應(yīng)為10kHz，從74.995MHz到75.005MHz。若遠(yuǎn)處有一個(gè)25MHz的無線電臺(tái)，其三次諧波是75MHz，但預(yù)選器對(duì)75MHz信號(hào)衰減的大，干擾也就消失了。顯然，這種變頻方式優(yōu)于前面幾種方式。
5結(jié)語
本文對(duì)無線通信核心部分的接收機(jī)電路進(jìn)行研究，分析了單次變頻超外式和雙重變頻超外差等接收模型和電路架構(gòu)，討論了鏡像干擾的抑制方式如何處理信號(hào)和如何從極高頻率的數(shù)據(jù)傳輸ANT端口中提取出穩(wěn)定的中頻信號(hào)。最后，在此基礎(chǔ)上提出上變頻雙重變頻設(shè)計(jì)方案。
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作者：曹薇薇 王宇星 黃穎華 張定心 單位：無錫科技職業(yè)學(xué)院
