无线射频发射机系统设计与实现

张仕忠 钟俊森 张立立

摘要：近些年随着以OFDM技术为主的第四代移动通信技术的广泛应用，第五代移动通信技术呼之欲出，这些技术对于通信系统中发射机和接收机的性能提出了更高的要求，信道带宽、数据传输速率、信噪比这些指标必须有大幅提升才能满足传输要求，同时以手机为主的通信电子设备的便捷化、智能化、微型化更是当今社会发展的趋势。射频发射机作为通信系统最前端的部分，是整个无线移动通信系统的基础，因此发射机性能的不断优化就显得尤为重要。文章以模块化的方式给出了一套发射机系统设计方案，包括语音放大滤波电路、调制电路、FPGA振荡电路、带通滤波器和高频功率放大电路，经过实际搭建电路测试，该套设计方案性能良好。

关键词：OFDM;射频发射机;FPGA;调制

中图分类号：TN929.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）12-0034-03

射频是一种特定频率的电磁波，可在自由空间内辐射。要实现移动通信，必须采用无线传输，因此射频技术是当代移动通信的基础。射频通信技术具有宽频带、高信息容量、体积小、可用频谱多、干扰小等特点，在无线通信系统中应用广泛。射频发射机位于无线通信系统的最前端，优良的性能对于保证通信质量尤为重要。因此基于无线通信射频发射机系统的重要性，对于其设计方案进行不断优化很有必要。

1射频发射机总体设计

射频发射机主要任务是完成基带信号对载波的调制，将其变为通带信号并搬移到所需的频段上且有足够的功率发射，主要包括音频放大滤波、振荡器、调制器、混频器、高频功率放大、带通滤波器和天线几部分。发射机的方案大致可以分为两种：一是将调制和上变频合二为一，在一个电路中完成，这称为直接变换法。二是将调制和上变频分开，先在较低的中频上进行调制，然后将已调信号上变频搬移到发射的载频上，这称为两步变换法。发射机总体设计原理框图如图1所示。

2各模块设计原理及方案

2.1增益可调音频放大滤波设计方案

滤波电路由截止频率为300Hz的高通滤波器和截止频率为3400Hz的低通滤波器构成，使用具有优良音频性能的超低失真，低噪声运算放大器芯片OPA2134。

2.2振荡器设计方案

振荡器作为混频器的本振源，产生正弦波作为本振信号送入混频器，从能量的观点来看，正弦波振荡器是不需要输入信号控制就能自动的将直流电源的能量转变为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路，本设计方案采用FPGA产生固定频率100kHz的正弦波作为调制用的本振源，使用FPGA数字方式做本振源产生的正弦载波频率稳定且误差较小，有利于保证发射机可靠性以及频率的稳定性。

在一个正弦波上取特定个数的点，然后将每个点的取值存放在FPGA的ROM中，通过在代码里例化ROM，将ROM里每个点的取值依次输出，就能得到特定频率的稳定正弦波。FPGA产生正弦波源核心代码如下：

2.3调制电路设计方案

在通信中，调制是把基带信号转换成通带信号的过程。这种转换就是使载频波的某个参数随基带信号而变化。用连续基带信号使载波的某个参数（幅度、频率、相位）连续变化的调制方式称为模拟调制。当被控制的载波参数为幅度时，称为幅度调制，当被控制的载波参数为频率或相位时，统称为角度调制。幅度调制包括普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSBSC）和单边带调幅（SSBSC）。

由于与AM信号相比，如果发射机输出功率相等，则DSB发射机发出的信息能量远比AM多，即功率利用率高，且原理简单，用乘法器+带通滤波器的方式即可实现。

2.4带通滤波器设计方案

由于相比于AM调制，DSBSC调制节省了功率，但没有节省频带，因此信号带宽与AM调制波相同，BW=2F（F为调制信号的频率）。当载波频率为100kHz时，DSBSC的频带在96.6-103.4kHz之间，因此该频带宽度为带通滤波器的通带，带通滤波器使用运放芯片OPA2134，采用高通+低通滤波器的设计方式。电路设计方案如图2所示。

2.5混频器设计方案

从频域角度看，混频是一种频谱的线性搬移，输出中频信号与输入射频信号的结构相同，唯一不同的是载频。从时域波形看，输出中频信号的波形与输入射频信号的波形相同，不同的是载频功率。在发射机中一般用上混频，它将已调制的中频信号搬移到射频段。接收机一般为下混频，它将接收到的射频信号搬移到中频上。混频器同调制电路一样，使用AD734乘法器芯片。电路设计如图3所示。

2.6高频功率放大器设计方案

高频功率放大器用于发射机的末级，它将已调制的频带信号放大到所需要的功率值，送到天线中发射，保证在一定区域中可以收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信网。可以按照不同的范畴对高频功率放大器进行划分。若按工作频带分，可分为宽带放大和窄带放大，若按工作状态分，可分为线性放大和非线性放大，若按放大器类别分，可分为A、B、C、D、E等类。功率放大电路使用功率放大集成模块LMl875。

LMl875功放板由一个高低音分别控制的衰减式音调控制电路和LMl875放大电路以及电源供电电路三大部分组成，音调部分采用的是高低音分别控制的衰减式音调电路，其中的R02，R03，C02，C01，W02组成低音控制电路;C03，C04，W03组成高音控制电路;R04为隔离电阻，W01为音量控制器，调节放大器的音量大小，C05为隔直电容，防止后级的LMl875直流电位对前级音调电路的影响。放大电路主要采用LMl875，由1875，R08，R09，C066等组成，电路的放大倍数由R08与R09的比值决定，C06用于稳定LMl875的第4脚直流零电位的漂移，但是对音质有一定的影响，C07，R10的作用是防止放大器产生低频自激。电路设计及测量结果如图4所示。

3电路连接及调試

3.1增益可调音频放大滤波模块调试

将音频放大和滤波两部分电路连接起来，用信号发生器产生的正弦波作为输入信号，用示波器观察输出信号可知该模块放大滤波效果良好;波形无失真;调节滑动变阻器到合适的放大倍数。

3.2振荡器模块调试

由于FPGA以数字方式产生正弦波振荡信号，因此信号波形和频率均比较稳定，且误差较小。

3.3调制电路及带通滤波器调试

将振荡器产生的正弦波信号和音频信号作为调制电路的两路输入信号，将调制电路的输出与带通滤波器的输入相连，观察输出信号的波形发现调制效果良好;用频谱仪测得该AM信号频率与理论值误差较小。

3.4混频电路及带通滤波器调试

将调制电路与带通滤波器连接在前级模块的输出端，观察输出信号发现信号波形无明显失真;混频后输出信号的频率与理论值近似相等。

3.5高频功率放大器调试

将高频功率放大器与前级输出端相连，调节电路参数使其满足天线发射所需功率要求。

4结束语

随着无线通信技术、射频技术的发展，移动通信必将极大地改变人们的生活和工作方式，为了满足用户对通信质量的更高要求，实现宽频带、高峰值、智能化的射频收发系统必不可少，唯有不断改进、不断创新才能有所突破。