一种数字无线收发系统设计

摘要：介绍了无线收发系统的设计过程，该系统以FPGA作为数字中频处理部分，发射机采用FM调制对信号进行处理，接收机采用数字下变频与欠采样技术，将中频信号降采样后解调，得到原信号。系统采用分模块式设计，对电路各个模块的功能和实现加以说明，设计思路灵活，结构清晰。电路在Protel99中设计完成，并用VerilogHDL语言对数字中频进行编程和程序仿真。系统已经做成实体，可以实现信号的无线发射与接收，达到设计提出的要求。
关键词：无线收发；FPGA；数字中频；直接数字频率合成；数字下变频

由于无线信息传输有着方便、低成本等诸多优点，近年来各种无线通信系统逐渐成为通信市场和研究的热点，其中具有数字中频的无线通信系统因为结构开放，易于升级等特点，成为了热点中的热点。无线收发系统中，采用可编程数字芯片，把模拟电路简单化，成为现在的主流趋势。数字滤波器、DDC、DDS广泛的应用于无线收发系统中。该无线收发系统中，调制与解调算法并不复杂，所以不需要DSP进行算法处理，只采用FPGA进行数字频率合成与数字解调。不仅使得电路设计简单化，同时可以节约成本。

1 系统硬件结构
无线收发系统由两部分组成：发射机和接收机。发射机将频率较低的信号通过上变频、滤波、放大等操作，得到具有一定功率的信号，发射到自由空间并较好地传播。接收机的主要功能是从空间中接收到微弱的信号，放大后下变频到中频或基带由解调器解调，实现中频频信号到基带信号的转换。
1．1 发射机系统结构
射频发射系统的构架一般来说主要有两种拓扑结构，一种是调试和上变频集成在一起的直接上变频结构：另一种是调制和混频两个步骤分离的两级结构，这种结构先进行调制再通过混频器频谱搬移到载波频率。两级结构因为发射频率和本振频率相隔较远，通过混频器后的滤波器可以很好地隔离反射信号，保证了本振信号的纯净，虽然与直接上变频相比较，两级结构会产生其他频率信号，但是由于与所需要的信号相隔较远，依靠滤波器也可以比较容易的滤除。该发射系统采用两级结构，将采集到的外部语音信号(模拟或数字信号)通过ADC输入到FPGA内部，进行FM调制后由DAC输出携带语音信息的10．7 MHz中频信号，将10．7 MHz中频信号与本振信号混频产生433 M的射频信号，再经过放大器模块，得到具有一定功率的信号(500 mW)并有效发射。主要由A／D、D／A转换，FPGA数字中频，滤波器模块、混频器模块、放大器模块和天线组成。

1．2 接收机系统结构
接收机采用低中频接收机结构，低中频接收机(Low IF Receivers)是从零中频接收机发展而来的。射频信号经过正交下变频，经过低通滤波器输出两路低中频的I／Q信号，如果所需信号为高边带，则将Q路信号90°移相相加后即可得到高边信号，抑制低边镜像；反之，若所需信号为低边带，则I路信号-90°移相后与Q路信号相加或I路信号90°移相后与Q路信号相减后得到低边带信号，抑制高边镜像。由于下变频后信号不再处于基带，这样就消除了直流偏移和散射噪声的影响。天线将接收到得433．9 MHz的信号经过低噪声放大器(LNA)放大后，通过433 MHz声表面滤波器(SAW)，选出所需信号并抑制镜像信号，然后经过混频器下变频，得到10．7 MHz中频信号，经过中频滤波器进入带自动增益控制(AGC)的中频放大器，得到功率要求足够的中频，通过模数转换(ADC)，进入FPGA中频处理器进行解调，输出基带信号。

2 系统电路设计
2．1 滤波器
系统所需滤波器，一种是10．7 MHz带通滤波器，此滤波器使用陶瓷晶体滤波器可以达到要求；另一种是在低噪声放大器和混频器后滤除若干不需要的信号带通滤波器，混频后产生的频率除了需要的433 M信号外，还有本振信号、412．52 MHz镜像频率以及其他交调信号和杂散信号等不需要的信号。由于频率很接近，滤波器要具体好的频率选择性，声表面滤波器具有优良的频率选择性、传输损耗小、EMI性能好、可靠性高等特点，RF1172C一款低损耗经济声表面波(SAW)滤波器，专为需要选择433．92 MHz频率的10．7 MHz中频无线系统设计，外部匹配电路简单。通过smith圆图匹配输入输出阻抗，可达到系统要求。