一種數(shù)字無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了無線收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，該系統(tǒng)以FPGA作為數(shù)字中頻處理部分，發(fā)射機(jī)采用FM調(diào)制對信號進(jìn)行處理，接收機(jī)采用數(shù)字下變頻與欠采樣技術(shù)，將中頻信號降采樣后解調(diào)，得到原信號。系統(tǒng)采用分模塊式設(shè)計(jì)，對電路各個(gè)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)加以說明，設(shè)計(jì)思路靈活，結(jié)構(gòu)清晰。電路在Protel99中設(shè)計(jì)完成，并用VerilogHDL語言對數(shù)字中頻進(jìn)行編程和程序仿真。系統(tǒng)已經(jīng)做成實(shí)體，可以實(shí)現(xiàn)信號的無線發(fā)射與接收，達(dá)到設(shè)計(jì)提出的要求。
關(guān)鍵詞：無線收發(fā)；FPGA；數(shù)字中頻；直接數(shù)字頻率合成；數(shù)字下變頻

由于無線信息傳輸有著方便、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來各種無線通信系統(tǒng)逐漸成為通信市場和研究的熱點(diǎn)，其中具有數(shù)字中頻的無線通信系統(tǒng)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)開放，易于升級等特點(diǎn)，成為了熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。無線收發(fā)系統(tǒng)中，采用可編程數(shù)字芯片，把模擬電路簡單化，成為現(xiàn)在的主流趨勢。數(shù)字濾波器、DDC、DDS廣泛的應(yīng)用于無線收發(fā)系統(tǒng)中。該無線收發(fā)系統(tǒng)中，調(diào)制與解調(diào)算法并不復(fù)雜，所以不需要DSP進(jìn)行算法處理，只采用FPGA進(jìn)行數(shù)字頻率合成與數(shù)字解調(diào)。不僅使得電路設(shè)計(jì)簡單化，同時(shí)可以節(jié)約成本。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
無線收發(fā)系統(tǒng)由兩部分組成：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。發(fā)射機(jī)將頻率較低的信號通過上變頻、濾波、放大等操作，得到具有一定功率的信號，發(fā)射到自由空間并較好地傳播。接收機(jī)的主要功能是從空間中接收到微弱的信號，放大后下變頻到中頻或基帶由解調(diào)器解調(diào)，實(shí)現(xiàn)中頻頻信號到基帶信號的轉(zhuǎn)換。
1．1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
射頻發(fā)射系統(tǒng)的構(gòu)架一般來說主要有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是調(diào)試和上變頻集成在一起的直接上變頻結(jié)構(gòu)：另一種是調(diào)制和混頻兩個(gè)步驟分離的兩級結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)先進(jìn)行調(diào)制再通過混頻器頻譜搬移到載波頻率。兩級結(jié)構(gòu)因?yàn)榘l(fā)射頻率和本振頻率相隔較遠(yuǎn)，通過混頻器后的濾波器可以很好地隔離反射信號，保證了本振信號的純凈，雖然與直接上變頻相比較，兩級結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生其他頻率信號，但是由于與所需要的信號相隔較遠(yuǎn)，依靠濾波器也可以比較容易的濾除。該發(fā)射系統(tǒng)采用兩級結(jié)構(gòu)，將采集到的外部語音信號(模擬或數(shù)字信號)通過ADC輸入到FPGA內(nèi)部，進(jìn)行FM調(diào)制后由DAC輸出攜帶語音信息的10．7 MHz中頻信號，將10．7 MHz中頻信號與本振信號混頻產(chǎn)生433 M的射頻信號，再經(jīng)過放大器模塊，得到具有一定功率的信號(500 mW)并有效發(fā)射。主要由A／D、D／A轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA數(shù)字中頻，濾波器模塊、混頻器模塊、放大器模塊和天線組成。

1．2 接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
接收機(jī)采用低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)，低中頻接收機(jī)(Low IF Receivers)是從零中頻接收機(jī)發(fā)展而來的。射頻信號經(jīng)過正交下變頻，經(jīng)過低通濾波器輸出兩路低中頻的I／Q信號，如果所需信號為高邊帶，則將Q路信號90°移相相加后即可得到高邊信號，抑制低邊鏡像；反之，若所需信號為低邊帶，則I路信號-90°移相后與Q路信號相加或I路信號90°移相后與Q路信號相減后得到低邊帶信號，抑制高邊鏡像。由于下變頻后信號不再處于基帶，這樣就消除了直流偏移和散射噪聲的影響。天線將接收到得433．9 MHz的信號經(jīng)過低噪聲放大器(LNA)放大后，通過433 MHz聲表面濾波器(SAW)，選出所需信號并抑制鏡像信號，然后經(jīng)過混頻器下變頻，得到10．7 MHz中頻信號，經(jīng)過中頻濾波器進(jìn)入帶自動增益控制(AGC)的中頻放大器，得到功率要求足夠的中頻，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，進(jìn)入FPGA中頻處理器進(jìn)行解調(diào)，輸出基帶信號。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 濾波器
系統(tǒng)所需濾波器，一種是10．7 MHz帶通濾波器，此濾波器使用陶瓷晶體濾波器可以達(dá)到要求；另一種是在低噪聲放大器和混頻器后濾除若干不需要的信號帶通濾波器，混頻后產(chǎn)生的頻率除了需要的433 M信號外，還有本振信號、412．52 MHz鏡像頻率以及其他交調(diào)信號和雜散信號等不需要的信號。由于頻率很接近，濾波器要具體好的頻率選擇性，聲表面濾波器具有優(yōu)良的頻率選擇性、傳輸損耗小、EMI性能好、可靠性高等特點(diǎn)，RF1172C一款低損耗經(jīng)濟(jì)聲表面波(SAW)濾波器，專為需要選擇433．92 MHz頻率的10．7 MHz中頻無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，外部匹配電路簡單。通過smith圓圖匹配輸入輸出阻抗，可達(dá)到系統(tǒng)要求。