宽带无线通信射频收发前端设计分析

宽带无线通信射频收发前端设计分析

左杰

安普德(天津）科技股份有限公司  300392

摘要：近年来随着社会经济不断发展，我国已经进入信息化时代，现代社会信息对于我们的生活的影响也越来越大，宽带无线通信系统的迅速发展，使得人们的通信变得越来越便捷。本文对宽带无线通信射频收发前端的设计进行分析与探讨，旨在提高宽带无线通信水平。

关键词：宽带设计；无线通信；射频；收发前端设计

1宽带无线通信系统组成

近年来，宽带无线通信由于其平均功率较低、频谱利用率较高、保密性和安全性好等优势，已经成为通信领域中研究的热点技术。宽带无线通信系统主要包括以下几个部分。

1.1基带处理单元基带

处理单元是宽带无线通信系统中的基础，主要的功能有对数据信道进行编码处理、CCK调制解调、同步时钟提取等。

1.2中频处理单元

中频处理单元主要完成频率转换，通过上下变频，完成射频和中频之间的转换，并且完成数字信号与模拟信号之间的相互转换。

1.3射频单元

射频单元是数据传输的主要部分，发送端首先将语音、数据以及图像等信号调制成为相应的信号，然后经过滤波、放大、功放送天线等环节对信号进行发射。射频单元中的接收端则主要负责接收射频信号，对于传输来的信号，经过放大、滤波和变频之后可以将固定的中频信号输出到中频处理模块中。

1.4协议与控制单元

协议与控制单元具有协议控制、数据组帧与完整性检测处理等功能，可以为各种数据信息提供相应的接口，以便信息数据可以进入处理单元中。在宽带无线通信系统中，射频前端是最关键的部分，该部分是影响信号的传输和接收功能的主要部分，通过对射频前端进行设计，可以实现收发通道射频前端的所有功能，而且能够满足调制信号的收发要求，在应急通信、指挥调度、无线监控、海上作业等领域有十分广泛的应用。而且在宽带无线通信系统中还内置了GPS模块，通过GPS定位可以向中心站点传输精确的位置信息。

2射频收发系统的工作原理

2.1射频发射机的工作原理

射频发射机主要用于信号发射，无线射频发射机是通过调制放大信号的功率以及上变频和滤波过程，将低频基带信号转换成高频射频信号的一个过程。整个过程需要经过天线收集信号、调制器调制信号、数模转换器转换和滤波等几个环节。其中，调制器的调制过程是最关键的部分，将低频信号转为高频信号进行传播，调制的方式包括模拟调制和数字调制两种。本振器则主要包括数字分频、鉴相器、锁相环等几个部分，将调制之后的信号传输到混频器，并且和滤波器送至的信号频率相乘之后进行处理。数模转换则主要是完成数字信号与模拟信号之间的转换过程，由电阻网络和基准电源、模拟开关、运算放大器等几个部分组成。滤波器则是对干扰信号进行过滤的过程，确保经过过滤之后的信号都是有效信号。系统中的混频器主要用于信号频率的改变，属于频率调制器，以保持原载频已调信号调制方式，可以将已经调制低频基带信号转化成为高频射频信号。无线通信射频发射机中的放大器主要是对信号的幅度和功率进行放大的过程，通过幅度放大器将信号增大或者降低，然后再通过功率放大器将信号的功率放大到一定程度之后，将信号加载到天线进行发射。

2.2射频接收机的工作原理

射频接收机主要是对信号进行接收的设备，对射频发射机传送的射频信号进行接收，对下变频至低频信号进行解调。射频接收机一般都处于无线通信射频收发系统的前端，因此接收机的性能、结构的合理性会直接影响无线射频收发系统的工作。当天线的接收空间将射频信号送到相应的设备进行放大的时候，可以通过变频操作，将信号转变为低频基带信号，对有效的信号进行解调，并且将信号的幅度放大，最后再将模拟信号转变为数字信号，由DSP处理或由后端设备进行处理之后将其显示出来。对接收的信号质量进行判断时常见的指标有接收设备的灵敏度、噪声系数、信号的动态范围等。在无线通信射频收发系统中信息的变换主要是通过调制和解调两个过程来完成的，调制和解调的目的主要是为了将信号转变为真正合适的信号进行传输，从而对信道进行充分利用，改变被信号占用的带宽，提高整个无线通信系统的性能水平。

3宽带无线通信射频收发前端设计方案分析

3.1整体架构设计

超宽带接收射频前端通道将从天线单元传输下来的射频信号，经过预选滤波器组，低噪声放大器、增益调整电路后，与本振信号混频后变为中频信号，送信号处理系统。接收通道采用两次变频和预选滤波的电路设计方案。本文设计的超宽带射频接收通道主要完成将接收的400MHz～2000MHz的微波宽带信号变换为70MHz的中频信号输出，为了提高系统的性能，分为带宽为8MHz和75KHz的两种种信号带宽。为了提高接收通道的抗干扰性能，首先采用预选滤波器组进行信号频率的预分选，抑制带外信号。

接收前端输入信号的动态范围比较大（-95～-1dBm），为了实现接收机的动态范围，在接收机的输入端采用功率调整电路来实现动态范围的压缩，将输入信号的（-95～-1dBm）动态范围由94dB减小为64dB，方便后级电路对输入信号的处理。接收前端电路是由收发开关、限幅LNA、数控衰减器开关滤波器组、混频器和放大器、滤波器等电路组成。

3.2频率规划

超宽带接收射频前端电路采用两次变频结构，第一中频为高中频。通过调谐一本振信号频率3300MHz至4900MHz，将400MHz~2000MHz射频信号变频至2900MHz一中频信号，然后通过2830MHz二本振信号将2900MHz一中频信号变频至最终70MHz中频信号。

3.3指标分析

在进入接收机输入端的信号中既包含有用的信号，也包含无用的噪声信号，在通过接收机时，也会被放大或者衰减，并且接收机的器件也会产生少量的内部热噪声。这些噪声将会影响接收机输出的信号的信噪比，从而影响整个接收机的性能。而噪声系数就是定量描述一个元件或者系统产生噪声程度的参数。

超外差结构中，由于三阶交调分量和双音信号接近容易落入带内，它的影响最大，因而三阶交调失真是衡量超外差系统的一个重要参数。因为三阶分量的功率与输入功率的三次方成正比，所以用dB表示时，三阶失真分量的增加速度是基波分量的三倍；另外，如果输出不饱和，三阶分量将会达到和基波分量相同的功率，这一点通常被称为三阶截点。

动态范围的一个通常的度量标准是无杂散动态范围（SFDR），SFDR表征了基底噪声功率与信号功率的差值。动态范围最大就意味着接收机具有最大的TOI和最小的噪声系统。在系统带宽一定的情况下，提高三阶截点值和减小接收机的噪声系数都可以提高接收机的动态范围。选取超宽带接收射频前端所需的各类射频器件后，将各器件指标输入ADI公司的EDA软件进行仿真分析，本文设计的射频前端噪声系数为5.7dB，链路增益为52dB(留2dB设计余量)，输出1dB压缩点为18.4dBm（输入1dB压缩点-33.6dBm+52dB），输出三阶交调节点为32.6dBm（输入1dB压缩点-19.4dBm+52dB），SFDR为59.2dB。

3.4验证测试

我们利用信号源E8257D、频谱分析仪E4440A、噪声系数分析仪N8975A等仪器对射频前端的噪声系数、接收增益、输出1dB压缩点、输出三阶交调节点、接收瞬时动态等技术指标选取多个工作频点进行了测试。由测试结果可知，本文设计的射频前端全频段噪声系数小于4.2dB，全频段接收增益为50±1dB，全频段输出1dB压缩点大于18.5dBm，全频段输出三阶交调节点大于30dBm，全频段接收瞬时动态大于59dB。

4结语

随着人们的生活水平不断提高，无线通信技术的应用越来越广泛，另外射频技术的应用也逐渐广泛起来，人们对无线通信的要求很高，对无线通信系统进行设计时，射频收发前端最为重要，整个前端的功能会直接影响系统的信号接收性能和系统的结构完整性，需要对系统内部的每一个部分都进行综合设计，使得各部分之间协调工作，以提高信号的传输质量。

参考文献

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[2]程知群.宽带无线通信射频收发前端设计[J].电子器件，2020（02）：34-35.

[3]许永智.宽带无线通信系统射频收发前端研究[J].数字化用户，2021（24）：45-47.