一種數字無線收發系統設計

摘要：介紹了無線收發系統的設計過程，該系統以FPGA作為數字中頻處理部分，發射機采用FM調制對信號進行處理，接收機采用數字下變頻與欠采樣技術，將中頻信號降采樣后解調，得到原信號。系統采用分模塊式設計，對電路各個模塊的功能和實現加以說明，設計思路靈活，結構清晰。電路在Protel99中設計完成，并用VerilogHDL語言對數字中頻進行編程和程序仿真。系統已經做成實體，可以實現信號的無線發射與接收，達到設計提出的要求。
關鍵詞：無線收發；FPGA；數字中頻；直接數字頻率合成；數字下變頻

由于無線信息傳輸有著方便、低成本等諸多優點，近年來各種無線通信系統逐漸成為通信市場和研究的熱點，其中具有數字中頻的無線通信系統因為結構開放，易于升級等特點，成為了熱點中的熱點。無線收發系統中，采用可編程數字芯片，把模擬電路簡單化，成為現在的主流趨勢。數字濾波器、DDC、DDS廣泛的應用于無線收發系統中。該無線收發系統中，調制與解調算法并不復雜，所以不需要DSP進行算法處理，只采用FPGA進行數字頻率合成與數字解調。不僅使得電路設計簡單化，同時可以節約成本。

1 系統硬件結構
無線收發系統由兩部分組成：發射機和接收機。發射機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，發射到自由空間并較好地傳播。接收機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器解調，實現中頻頻信號到基帶信號的轉換。
1．1 發射機系統結構
射頻發射系統的構架一般來說主要有兩種拓撲結構，一種是調試和上變頻集成在一起的直接上變頻結構：另一種是調制和混頻兩個步驟分離的兩級結構，這種結構先進行調制再通過混頻器頻譜搬移到載波頻率。兩級結構因為發射頻率和本振頻率相隔較遠，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，兩級結構會產生其他頻率信號，但是由于與所需要的信號相隔較遠，依靠濾波器也可以比較容易的濾除。該發射系統采用兩級結構，將采集到的外部語音信號(模擬或數字信號)通過ADC輸入到FPGA內部，進行FM調制后由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生433 M的射頻信號，再經過放大器模塊，得到具有一定功率的信號(500 mW)并有效發射。主要由A／D、D／A轉換，FPGA數字中頻，濾波器模塊、混頻器模塊、放大器模塊和天線組成。

1．2 接收機系統結構
接收機采用低中頻接收機結構，低中頻接收機(Low IF Receivers)是從零中頻接收機發展而來的。射頻信號經過正交下變頻，經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，然后經過混頻器下變頻，得到10．7 MHz中頻信號，經過中頻濾波器進入帶自動增益控制(AGC)的中頻放大器，得到功率要求足夠的中頻，通過模數轉換(ADC)，進入FPGA中頻處理器進行解調，輸出基帶信號。

2 系統電路設計
2．1 濾波器
系統所需濾波器，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良的頻率選擇性、傳輸損耗小、EMI性能好、可靠性高等特點，RF1172C一款低損耗經濟聲表面波(SAW)濾波器，專為需要選擇433．92 MHz頻率的10．7 MHz中頻無線系統設計，外部匹配電路簡單。通過smith圓圖匹配輸入輸出阻抗，可達到系統要求。