無線通信射頻接收技術分析
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摘要：本文在研究通信系統模型的基礎上，分析了單次變頻超外差式接收機架構、雙重變頻超外差接收機的模型架構和通信系統抗干擾設計方案，最后提出無線通信接收機系統的優化設計方案，以期為相關學者的研究提供借鑒。
關鍵詞：無線通信；接收機；電路架構
隨著科技的不斷進步，無線通信已經完全融入人們的日常生活中，智能化電子產品已經成為主要趨勢。這些智能化產品的發展與產生，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進行無線傳輸的一種模塊。無論是哪類智能產品，想要實現聯網、智能化，都要通過無線模塊完成信號傳輸。同時，隨著產品的集成化、小型化、數字化、智能化和網絡化，無線通信技術已開始從模擬型轉向數字型，而且正在向軟件型方向發展［1］。其中，實現傳輸的通信機的系統結構也將隨之發生重大變化。
1通信系統基本模型
根據電信號傳遞的媒質不同，通信可分為有線通信和無線通信兩大類［2］。有線通信指電信號通過導線、電纜線、光纜線等有線媒質傳遞的通信方式；無線通信指電信號利用空間電磁波的傳播作為媒質進行傳遞信號。任何通信系統，都是把發送端的信息傳送到接收端，因而通信系統可以用如圖1所示的模型來表示。發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。發送設備則將各種原始信號轉化成適合在信道中傳輸的已載頻信號。接收設備是將信道送來的已調載頻電信號變換成原始電信號，送給受信者。信道就是傳遞電信號的媒質，對于有線通信，其是指傳輸導線、電纜線、光纖電纜等，對于無線通信，其是指空間傳播的電磁波。最后，受信者將原始電信號變換成消息，從而完成消息的傳遞過程。目前常見的接收設備有超外差式接收機、零中頻接收機、鏡像抑制接收機以及數字中頻接收機等［3-4］。超外差式接收機將通過變頻一次或多次將射頻己調信號變頻到易處理的中頻上，最終對中頻已調信號進行處理放大、濾波與解調。因為通過適當地選擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈活性，因此這種結構被認為是最可靠的接收機拓撲結構。同時，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。而其他接收設備結構復雜，性價比低，因此本文主要分析超外差接收機結構。
2單次變頻超外差式接收機設計
單次變頻超外差式接收機如圖2所示。接收信號頻率范圍是500kHz～30MHz，即中、短波段。圖中預選回路的作用是讓這一頻率范圍的信號都能通過，而其他頻率的信號則全部濾除，因而預選器送入混頻器的信號就是所要接收的500kHz～30MHz信號。送人混頻器的本地振蕩信號頻率比接收頻率高出455kHz，即為955kHz～30.455MHz。混頻器把這兩個輸入信號相混以后由中頻濾波器取出差頻455kHz，差頻455kHz即為中頻信號。不論如何調諧接收機，中頻是永遠不變的。所以，將所有接收頻率都變成處理一個相同頻率的信號，這就是超外差式接收至今仍被認為是一種最佳設計方案的原因。455kHz的中頻信號仍然包含有從天線進入的信號的信息，其在中頻放大器中被選頻放大后，進入檢波器檢波解調；再經低放放大后，送入揚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，必須使預選回路和本振回路實現統調。統調可以使預選回路電容和本振回路電容采用一個同軸的雙聯可調電容，選取合適的電容變化量就可以使本振頻率在接收波段內永遠高出接收頻率455kHz。
3鏡像干擾及抑制方案
從天線進入的接收信號和本地振蕩器混頻以產生要進一步放大的中頻信號。本振頻率可以高于或低于天線進人的接收信號頻率一個中頻值。如有一電臺的頻率是15.000MHz，其也將和14.545MHz的本振混頻并產生455kHz的中頻信號。若接收機前端的選擇性差，而15.000MHz信號臺的功率又強，則當接收機調諧在14.090MHz時，此15.000MHz的信號也將收聽到，因而干擾了實際要接收的14.090MHz信號，即為鏡像干擾。當振蕩器振蕩頻率高于需要接收信號的頻率時，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的頻率時，則鏡像頻率為接收信號頻率減2倍中頻頻率。因此，在一個典型的455kHz接收機中，鏡像干擾將出現在比需要接收信號的頻率高910kHz的地方。中頻選擇在較低頻率455kHz時，鄰近波道選擇性就容易在中頻濾波和放大中實現。而中頻選擇在接收波段以上的較高頻率41MHz時，因濾波器和放大器性能使鄰近波道選擇性難以達到要求。為兼顧兩者的優點，即鏡頻抑制和鄰近波道選擇性要求，就出現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設計
雙變頻電路實現兩次變換頻率，如圖3所示。第一步用一個本地振蕩器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。第二個振蕩器是一個可變振蕩器，變化范圍一般為1MHz或500kHz。第一中頻的帶寬應等于第二振蕩器的頻率覆蓋范圍，通常考慮帶寬為1MHz。有時第一中放采用可調節預選器，通常稱可變通帶中頻。可變通帶的調整是借助于變容二極管進行調諧的，加在變容二極管上的偏壓跟蹤接收信號的頻率。這個電壓由數模轉換器產生。第三個混頻器用作乘積檢波器，對接收連續波（CW）和單邊帶（SSB）信號是必要的；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，在頻率范圍內以每步10kHz提供粗調；精調在第二變頻中用另一頻率合成器來實現。該頻率合成器在10kHz的粗調范圍內提供每隔100Hz的分辨率。第二中頻為9MHz，因為在這個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，經過天線進入第一混頻器，第一本振減去信號得到75MHz中頻。這個本振是工作在77～105MHz每步0.0lMHz（l0kHz）的第一個頻率合成器。為了使第二本振可以在第二中頻中進行細調，第一中頻最小帶寬應為10kHz，從74.995MHz到75.005MHz。若遠處有一個25MHz的無線電臺，其三次諧波是75MHz，但預選器對75MHz信號衰減的大，干擾也就消失了。顯然，這種變頻方式優于前面幾種方式。
5結語
本文對無線通信核心部分的接收機電路進行研究，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，討論了鏡像干擾的抑制方式如何處理信號和如何從極高頻率的數據傳輸ANT端口中提取出穩定的中頻信號。最后，在此基礎上提出上變頻雙重變頻設計方案。
參考文獻：
［1］梁源.無線通信射頻接收系統研究［J］.電子測試，2019（9）：74-75.
［2］顧寶良.通信電子線路［M］.北京：電子工業出版社，2001.
［3］段鵬輝.零中頻接收機系統級設計與仿真［J］.空間電子技術，2015（2）：41-44.
［4］張君臨.CMOS射頻接收前端的設計與研究［D］.西安：西安電子科技大學，2007.
作者：曹薇薇 王宇星 黃穎華 張定心 單位：無錫科技職業學院
