一種數(shù)字無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了無(wú)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(duì)信號(hào)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(hào)降采樣后解調(diào)，得到原信號(hào)。系統(tǒng)采用分模塊式設(shè)計(jì)，對(duì)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(yǔ)言對(duì)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(hào)的無(wú)線發(fā)射與接收，達(dá)到設(shè)計(jì)提出的要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)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(wú)線信息傳輸有著方便、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)各種無(wú)線通信系統(tǒng)逐漸成為通信市場(chǎng)和研究的熱點(diǎn)，其中具有數(shù)字中頻的無(wú)線通信系統(tǒng)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)開放，易于升級(jí)等特點(diǎn)，成為了熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中，采用可編程數(shù)字芯片，把模擬電路簡(jiǎn)單化，成為現(xiàn)在的主流趨勢(shì)。數(shù)字濾波器、DDC、DDS廣泛的應(yīng)用于無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中。該無(wú)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(jiǎn)單化，同時(shí)可以節(jié)約成本。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
無(wú)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(hào)通過上變頻、濾波、放大等操作，得到具有一定功率的信號(hào)，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(hào)，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(hào)到基帶信號(hào)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(lái)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(jí)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(jí)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(hào)，保證了本振信號(hào)的純凈，雖然與直接上變頻相比較，兩級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生其他頻率信號(hào)，但是由于與所需要的信號(hào)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(jí)結(jié)構(gòu)，將采集到的外部語(yǔ)音信號(hào)(模擬或數(shù)字信號(hào))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(yǔ)音信息的10．7 MHz中頻信號(hào)，將10．7 MHz中頻信號(hào)與本振信號(hào)混頻產(chǎn)生433 M的射頻信號(hào)，再經(jīng)過放大器模塊，得到具有一定功率的信號(hào)(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(lái)的。射頻信號(hào)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(hào)，如果所需信號(hào)為高邊帶，則將Q路信號(hào)90°移相相加后即可得到高邊信號(hào)，抑制低邊鏡像；反之，若所需信號(hào)為低邊帶，則I路信號(hào)-90°移相后與Q路信號(hào)相加或I路信號(hào)90°移相后與Q路信號(hào)相減后得到低邊帶信號(hào)，抑制高邊鏡像。由于下變頻后信號(hào)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(hào)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(hào)并抑制鏡像信號(hào)，然后經(jīng)過混頻器下變頻，得到10．7 MHz中頻信號(hào)，經(jīng)過中頻濾波器進(jìn)入帶自動(dòng)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(hào)。

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(hào)帶通濾波器，混頻后產(chǎn)生的頻率除了需要的433 M信號(hào)外，還有本振信號(hào)、412．52 MHz鏡像頻率以及其他交調(diào)信號(hào)和雜散信號(hào)等不需要的信號(hào)。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(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，外部匹配電路簡(jiǎn)單。通過smith圓圖匹配輸入輸出阻抗，可達(dá)到系統(tǒng)要求。