（通信与信息系统专业论文）测绘工程中无线语音及数据传输系统设计.pdf

中文摘要 利用无线通信信道的短距离传输语音及数据业务，是近年来发 展很快的一门技术。在电力、水利、测绘工程、g p s 数据采集、远 程设备监控，高危场所检测等领域，由于自然及地域原因，部分工 程不能实施有线语音和数据的连接，因此无线数据传输就能在这种 情况下发挥特殊的作用。通过无线电方式，以电磁波为载体传输语 音和数据的方式称为无线语音和数据传i ：；f ；基于已有的无线网络系 统也可以做到无线数据传输，例如g p r s 、c d m a1x 、s m s 等，但通 过这种运营系统的数据传输往往会出现数据延时、在网络拥挤状态 下失效的问题，而且在边远地区也无法实现网络的覆盖。所以，确 保实时的语音和数据无线传输，保证语音和数据采集、监控等正常 进行，必须有专用的硬件设备和通讯条件。 本设计根据测绘工程对无线语音和数据传输系统的要求设计 了相应的硬件系统。其中语音传输使用模拟调频技术，在14 4 m h z 14 8 m h z 频段上，实现了话筒输入和线路输入语音信号的小功率远 距离单工发送和接收。数据通信采用f s k 调制方式，主、从机可实 现智能控制通信，可连接多达2 5 6 个从站，构成一点对多点的单工 无线呼叫系统。从站号码可任意改变，主站可拨号选呼和对全部从 站群呼，在语音通信同时可传送信息数据，使用液晶显示器显示英 文和汉字短信及站号信息。本系统可实现无失真的语音传输，且具 有数据传输误码率低的特点。 关键词：测绘工程无线语音和数据频移键控群呼短信 a b s t r a c t i td e v e l o p sv e r yf a s ti nr e c e n ty e a r st h a tt h et e c h n o l o g y ，w h i c h v o i c ea n dd a t at r a n s m i tt h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s i n d o m a i n l i k e se l e c t r i c p o w e r ，i r r i g a t i o n w o r k s ， m a p p i n g e n g i n e e r i n g ，g p sd a t ac oj i e c t i o n ，l o n g d i s t a n c ee q u i p m e n ts t a k e o u t a n dc o n t r o l ，h i g hd a n g e rf i ej dd e t e c ta n ds oo n ，o w i n gt on a t u r ea n d c l i m e ，w i r et r a n s m i t so fv o i c ea n dd a t ai si m p o s s i b l ei ns o m ep r o i e c t s i nt h a ts t a t u s ，w i r e l e s sd a t at r a n s m i tw il l u n d e r g oas p e c i a lr e a c t i o n v i aw i r e l e s s m o d e l t r a n s m i t so fv o i c ea n dd a t ab a s eo n e l e c t r o m a g n e t i cw a v eb ec a l l e dw i r e l e s sv o i c ea n dd a t at r a n s m i t ： s o m ew i r e l e s sn e t w o r k sk n o w nl i k eg p r s c d m a1x s m sa n do t h e r n e t w o r k sc o u l dd ot h a tw o r k ，b u tu s et h e s es v s t e m st r a n s m i td a t a s o m e t i m e sb ed e l a y e d ，o rd a t ai n v a l i d a t i o ni nn e t w o r ki a m ，o r n e t w o r kc a nn o tc o v e rw i t hf a rf r o mt h ec e n t e ra r e a t h e r e f o r e t o i n s u r ev o i c ea n dd a t at r a n s m i ti nr e a l t i m e a n dd a t ac o l l e c t i o n s t a k e o u ta n dc o n t r o ip r o c e s si nt h ec o u r s eo fn a t u r e n o r m a l i v ， s p e c i a l h a r d w a r e e q u i p m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n sc o n d i t i o na r e n e e d e d b a s eo n r e q u i r e o f m a p p i n ge n g i n e e r i n g，a n a l o gs i g n a l s f r e q u e n c ym o d u l a t i o nt e c h n i q u ew a sa d o p t e di no u rd e s i g n i nt h e f r e q u e n c yi n t e r v a lo f14 4 14 8 i h z ，i tw a sr e a l i z e dt h a tv o i c es i g n a l s w e r ei n p u t t e dt h r o u g hm i c r o p h o n ea n dl o n gd i s t a n c e t h eh o s ta n d s u b o r d i n a t em a c h i n e sc a nu n d e r t a k es m a r tc o m m u n i c a t i o nb v f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ( f s k )m o d u l a t i o n m o d e t h e r ea r e2 5 6 s u b o r d i n a t es t a t i o n si no u ra r c h i t e c t u r e ， f o r m i n gao n e t o m u l t i p l e p o i n t ，s i m p l e x ，w i r e l e s sc a l ls y s t e m t h en u m b e ro fs u b o r d i n a t e s t a t i o n sc a no p t i o n a l l yc h a n g e ，w h i l et h eh o s ts t a t i o nc a ns e l e c t i v e l y o rw h o l l yd i a l u p d a t at r a n s m i t sw h i l ev o i c es i g n a l sc o m m u n i c a t i o n i nt h is s y s t e m t h ee n g i is hv v o r d s ，c h i n e s ec h a r a c t e r s s h o r t m e s s a g e sa n ds t a t i o nn u m b e rw i l l b ed i s p l a y e do n l i q u i d c r y s t a l d i s pj a y( l c d ) t h ee m j s s i v e p o w e ri s j e s st h a no 2 wa n dt h e e m i s s i v ed is t a n c ei st h a n5 0 0m t h e r ei sn oo b v i o u sd is t o r t i o na f t e r s i g n a ld e m o d u l a t i o n k e yw o r d s ： m a p p i n ge n g i n e e r i n g ，w i r e l e s s ，v o i c e a n d d a t a ， f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，w h o l l yd i a l 一u p ，s h o r tm e s s a g e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：葛乍 夺， 签字同期：多；年1 月2 岁同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：才笮 哆， 签字嗍矽8 年f 月叩日 导师签名： 舭笔久 答字慨伊g 年1 月哆日 天津大学硕士学位论文 第一章 前言 第一章前言 1 1 无线语音及数据传输技术的发展现状 无线语音及数据传输技术是近年来迅速发展起来的一种无线通信新 技术。它将无线语音传输技术和无线数据传输技术结合起来，实现了语 音和数据的实时传输，其效果类似于移动通信系统中移动台之间的信息 传递。但相比移动通信系统具有网络结构简单，设备成本和运行成本低、 体积小巧、通信可靠等特点，适合于车间、办公室、学校、宾馆、营地、 矿井等场合的工作信息交换。 无线语音传输系统可采用数字和模拟两种方式工作。从我国目前情 况看，语音信号传输还广泛应用大量v h f u h f 电台作为模拟语音电台， 通信手段仍以短波、超短波语音通信为主。这种技术因其仍属模拟技术， 存在着模拟通信共有的传输信号质量差、信道易受干扰、保密性不好等 缺陷。为此，新一代的数字通信技术正在逐渐取代模拟通信技术，成为 语音通信的主流。 无线数据传输技术是无线电传输技术与网络技术的结合。无线电传 输技术主要分为“射频技术和“红外线技术 两种。其中，红外线技 术仅适用于近距离无线传输( 一般低于l m ) ；射频技术的覆盖范围较宽 广，是当前广泛应用的无线传输技术。无线网络具有无须布线、一定区 域内可漫游、运行费用低廉等优点，这些优点使得它在许多应用场合发 挥出了不可替代的作用。无线网络在配置上分为“点到点”和“主从” 两种。 “点到点配置是在两个节点之间进行连接和通信。一台安装了无 线节点的计算机或控制板可以在无线网络覆盖范围内自由移动，并自动 建立点到点的连接，在不同节点之间直接进行数据传输。 在“主从配置中，所以无线节点都与“访问节点连接，由“访 天津大学硕士学位论文第一章前言 问节点”承担无线通信的管理和与有线网络桥连接的工作。使用“主从” 配置，无线用户在访问节点的覆盖范围内工作时，无须再为寻找其它节 点耗费电量，从而节约了资源。“主从”配置是最理想的低耗电网络配 置方式。 1 2 无线语音及数据传输技术的典型应用 1 2 1 家庭安全系统 一套家庭安全系统，可由若干个无线节点系统组成一个无线网络， 所有节点均采用电池供电，如安装在屋顶的自动烟雾传感器节点、安装 在厨房的煤气泄漏监视传感器节点、安装在门窗上的防盗监视传感器节 点，每个节点都是一个智能的系统，并通过无线电网络保持双向联系。 所有节点无线汇集到家庭中心无线服务器上，中心服务器连接有电话线 和因特网。如果无线节点发现火灾、气体泄漏、盗窃入侵等情况会立即 报警，如果主人不在家，系统会直接通过电话和因特网自动报警。 1 2 2 街头停车收费系统 我们可以使用无线电技术改造街头停车收费系统，使每个街头的停 车收费表变成一个智能的无线节点。这些节点记录停车收费的情况，并 通过停车表的无线网络路由，建立起与其它附近的收费表的无线双向网 络通信。这种新的街头无线收费表和其它传感器配合，可以提供更加智 能和人性化的服务。一个希望找到最近停车位的车主，只须使用任意一 个停车表，按几下键，停车表通过无线网络搜索，便会很快告诉车主哪 里有最近的停车位。对于管理者，查验停车收费的工作将变得非常简单 和高效，查验人员只须驾驶警车，以一定的速度通过要查验的路段，无 线收费表就会自动地通过无线，将当前的收费情况告知查验警车。 2 天津大学硕士学位论文第一章前言 1 2 3 无线读表系统 在我们日常生活中，家里的水表、电表、煤气表等都需要按时查表 收费。如果每个表都采用智能无线电系统，自动完成水、电、气的计量， 自动存储在系统存储器中，那么在需要查表时，查表员无须进入家中， 无线电波穿墙而过，查表人员就可以在瞬间轻松完成读表。由许多无线 节点构成的双向无线读表网络系统，不仅可以方便查表，而且经过进一 步改造，能源部门还可对每个单独的电、水、气表等进行实时监测和控 制，达到节约能源的目的。 1 2 4 轮胎压力监视系统 在高速驾驶中，如果轮胎突然失去压力甚至破裂，将会造成重大事 故。因此，。实时监视轮胎压力会对安全驾驶非常重要。采用无线轮胎压 力监视系统，无线节点被放置在汽车每个轮胎中。轮胎高速旋转时，每 个节点的单片机控制传感器定时监测轮胎内的压力，并通过无线网络以 无线方式将监测到的轮胎压力信息传输到驾驶台上的轮胎压力显示系 统，如果轮胎压力出现异常，系统将立即发出报警信号。 1 2 5 货物跟踪管理系统 监控移动中的货物，是货主和运输共同的工作。被做成信用卡大小 的无线节点，作为电子标签，粘贴在每个集装箱上，每个无线节点都有 一个独特的电子编码( e p c ) ，存储运输信息、货物信息、客户信息等。 运输过程中，通过车船上现有的卫星定位系统，调度中心和客户可以随 时了解该货物的具体位置，得知收到货物的准确时间。采用智能无线节 点构成的货物跟踪管理系统，类似一个个典型的长距离r f i d 系统，该 系统还可以用于超市的存货管理、大型仓库的管理等方面。 1 2 6 农作物环境监测系统 天津大学硕士学位论文第一章前言 在农作物环境监测系统中，每个无线农作物环境监测节点由单片机 构成，在每个节点上配置了不同的传感器，包括温度、湿度、光照、盐 碱度等。节点间距离可以达到百米以上，几百个这样的无线节点组成的 无线网络，可覆盖百亩以上的土地。每个节点既实时监视该点附近的温 度、湿度等情况，同时也无线双向中转信息，将信息传输到天线范围内 的其它节点上，这样即使某节点故障，附近的节点也可以建立信道通信 链路，确保通信畅通。 1 3 无线语音及数据传输系统在测绘中的应用研究的意义 及内容 “数字中国”构想的提出为我国的测绘事业发展提供了新的机遇和 更高层次的发展前景，由空间技术和其他相关技术，如由计算机、信息、 通讯等技术发展起来的3 s 技术( g p s ，r s ，g i s ) 在测绘学中的不断出现 和应用，使测绘学从理论到手段都发生了根本的变化。测绘生产任务也 由传统的纸上或类似介质的地图编制、生产和更新发展到地理空间数据 的采集、处理和管理。数据采集仪器从光学经纬仪到电子全站仪再到现 代的全球定位系统，数据处理从手工计算绘制到单片计算器再到现代的 计算机、绘图仪，无一不为测绘带来巨大的变革。 但是我国测绘数据的传输通讯技术应用部分还是存在着科技利用 率不高的问题，体现在测绘生产中就是大部分还是人工观测，然后现场 记录数据，回到内业数据录入，再处理。还有大部分地区的地形测绘工 作还停留在外业数据采集的同时要有专门的人员绘制草图以助记忆，绘 图员外业劳累内业还要进行数据导入，数据格式换，数据展绘，然后对 照外业所绘草图进行地形图绘制，俗称的连图，最后连接关系检查，工 期紧张情况下一般白天外业晚上内业，连续工作，草图资料不敢积压， 稍一推迟将会出现记不清、记不住、混乱、模糊现象，体力损耗，脑力 紧张，工作强度很大。假如中间出现任何偏差，如点号对应不对，出现 4 天津大学硕士学位论文第一章前言 错号对于碎部点复杂密集的地区这将是灾难性的，往往需要打出碎部 站点号到现场对比重新连图。这种情况并不偶然而是经常发生，给测绘 工作带来了不必要的浪费。问题的根源就是缺少一种可靠、有效、实用 方案能实时将数据传输到绘图员，以便在现场实时对数据进行绘制， 比对。同时无线语音传输可以实现对讲功能以便立镜人员与绘图员随时 保持联系系统方案如图卜1 所示。 设想有一种方案能够实现数据无线、无延时传输在地形测绘工作 中可以将定位仪器采得的坐标数据实时传至绘图员的平板电脑，现场测 绘，现场成图，做到简洁高效，所见即所得，易发现问题，易解决问题。 综上所述寻找一种可靠、有效、实用，能实时将数据传输到计算机 绘图人员的方案，至为关键。本设计使用单片机控制技术，完成语音和 数据的无线传输，在1 4 4 1 4 8 m h z 频段上，实现了话筒输入和线路输入 语音信号的小功率远距离单工发送和接收。同时，利用数字调制技术实 现了主、从机之间的一点对多点的中英文数据传输。由于采用低功耗和 智能设计，系统结构小巧，携带方便，从站数量可任意扩充，具有极好 的应用前景。 一i 一 一一l i 蛾l 由旷 ，tl 目卜l 系统方案图 沪圆 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 4 测绘工程中无线语音及数据传输系统的基本设计要求 测绘工程中采集到的原始数据是测绘工程的根本，是其它各项工作 的基础依据，在测绘工作中起到极其重要的作用，因此正确设计用于数 据传输的硬件设备尤为关键，它的主要作用就是负责将测绘仪器( 如全 站仪) 采集到的数据传输到绘图员进行现场计算机绘图处理。 1 4 1 总体要求 由于无线语音及数据传输系统工作环境复杂，不少设备都安置在野 外，供电状况也不稳定，温差变化较大。因此无线语音及数据传输系统 从产品结构到技术指标及对环境指标的要求都要比常规数传设备要高 很多。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 无线语音及数据传输系统的高可靠性和高频率稳定度，传输误 码率( b e r ) 要低。误码率是计算可靠性的重要指标，较低的误码率能 保证测绘数据的准确传输； ( 2 ) 设备抗干扰能力强，散热性佳，能适应在恶劣环境及电磁环境 下长期工作，其工作温度的范围宽，优良的适应性能适应测绘的不同环 境； ( 3 ) 工作时守候电流小，功耗低，耗电省，工作电压的范围宽，能 适应直流电、蓄电池、太阳能电池等多种供电模式，低功耗为测绘工作 野外携带提供了可能； 1 4 2 指标要求 ( 1 )设计并制作一个发射频率在1 4 4 m h z 1 4 8 m h z ，发射峰值功率 不大于o 2 w 的主站来传送一路语音信号，调制方式采用调频方式，主 站传送信号的输入采用话筒和线路输入两种方式。 ( 2 )设计并制作一个接收频率与主站相对应的从站，采用电池组 6 天津大学硕士学位论文第一章前言 供电，用耳机收听语音信号。 ( 3 ) 主、从站室外通信距离( 主、从站两设备间的最近距离) 不小 于5 0 0 米。 ( 4 ) 设计主站英文和数字短信的输入发送和从站英文和数字短信的 接收显示功能，实现英文短信的数据传输业务。 7 天津大学硕士学位论文 第二章射频收发系统理论 第二章射频收发系统理论 由于无线语音及数据传输系统采用的是电磁耦合的无线通信系统， 下面将简要介绍射频收发系统理论，并对常见的几种收发机结构加以比 较。 2 1 射频接收机的系统结构 一个完整的无线接收机由三部分组成，包括应用接口、基带处理和 射频前端。应用接口部分提供用户数据和应用之间的接口，在这一层上， 可以定义各种各样的服务；基带处理部分对从射频前端来的低频信号进 行解调，这一层的实现方式是由所采用的调制技术决定的；最后一部分 也是最重要最基础的部分，就是射频前端部分，它是上面两部分信号处 理的基础。一般说来，接收机射频前端必须完成两个主要的操作：对从 天线来的信号进行放大并将放大后的信号下变频到较低的低频。由于射 频前端对整个接收机的影响最大，对其性能要求也最高，这一部分通常 采用模拟电路来实现；而基带处理部分和应用接口部分则是在较低的频 率下进行的，在现在的模数变换器技术和成熟的数字信号处理技术的支 持下，这两部分功能主要采用数字技术来实现，这样不仅提高了集成度， 还可以采用复杂的解调算法来提高整个接收机的性能并可以提供各种 各样的服务。由于射频前端部分的系统结构对接收机的性能有决定性的 影响，下面将概括介绍几种常见的射频接收机结构，并简单分析比较各 种结构的优缺点。 2 1 1 超外差接收机 天津大学硕士学位论文第二章射频收发系统理论 图2 1 超外差式接收机系统结构 超外差式接收机是应用最广泛的一种系统结构，它的基本原理是将 从天线接收到的高频信号经放大和下变频后转换为一固定的中频信号， 然后进行进一步下变频或者直接进行解调，其系统结构如图2 一l 所示。 从天线接收到的信号由射频滤波器滤去带外干扰信号并粗略压缩镜像 信号( 所谓镜像信号，是指与有用射频信号关于本振频率对称的信号， 它与有用信号的频率差等于两倍中频频率) ，然后经低噪声放大器( l n a ) 进行放大，放大后的信号由镜像抑制滤波器( i r 滤波器) 进一步压缩 镜像信号，滤波后的信号和本地振荡信号在混频器中进行混频，有用信 号被转换为一固定中频信号，经信道滤波、中频放大后提取出有用信号 进行解调，也可经进一步下变频后再解调。 实现超外差式接收机遇到的一个主要问题是镜像抑制问题，该问题 是由下变频器引起的，在下变频时除了有用信号被转换到中频外，镜像 信号也被转换到中频，从而对有用信号造成干扰。镜像信号与本地振荡 ， 信号混频后所产生的信号经中频滤波后，也位于中频频率伊处。该信 号叠加在有用中频信号上，直接对有用中频信号造成干扰，并且不可被 清除。如果不对镜像信号进行抑制，则有用信号将受到镜像信号的极大 干扰，甚至完全被镜像信号所淹没。抑制这一干扰的唯一办法就是在下 变频前抑制镜像信号。这一功能一般是由位于下变频器前的镜像抑制滤 波器来完成的，它是一个带通滤波器，通带的中心频率与有用信号的频 率相同，而镜像频率位于该滤波器的阻带范围内，为了使接收机在很差 的接收环境中依然保持较高的性能，镜像抑制滤波器必须高度压缩镜像 9 天津大学硕士学位论文第二章射频收发系统理论 信号，一般要求对镜像信号的抑制率达到6 0 7 0 d b 。在高频的情况下 要达到这么高的抑制率，对滤波器的要求是很高的。它必须具有很高的 品质因子( 5 0 甚至更高) 、很高的阶数( 甚至到6 阶) ，而且其中心频 率还应是可调的。在目前的技术条件下，这种滤波器是很难集成在硅片 上的，一般采用外接的滤波器来实现。 超外差式接收机的主要缺点是需要多个外接的高性能滤波器。采用 外接滤波器，不仅降低了集成度，提高了产品成本，而且由于采用外接 元件，使整个系统的稳定性大大降低。更为严重的是，驱动这些外部低 阻抗的元件需要消耗很大的功耗，工作频率越高，功耗越大。另外，外 接元件和集成芯片之间的隔离也是一个大的问题。尽管超外差式接收机 存在上述问题，但由于超外差式接收机可以提供优良的性能，目前超外 差结构依然是应用最广泛的一种接收机结构。 超外差式接收机可以采用在最后一级正交下变频到基带的结构。该 结构用低通滤波器代替带通滤波器实现信道选择，提高了接收机的集成 度。正交变频也可以应用在中频，在正交变频之后，两路信号相加，构 成镜像抑制结构，降低了对镜像抑制滤波器的要求。 总体来说，超外差式接收机离不开具有良好选频特性的滤波器。这 样的滤波器只能在片外实现，超外差式接收机无法集成，不适合单片接 收机系统的应用。但因为超外差体系结构通过适当的选择中频和滤波器 可以获得极佳的选择性和灵敏度，所以被认为是最可靠的接收机拓扑结 构。 2 1 2 镜像抑制接收机 为了解决超外差式接收机中镜像抑制滤波器难以集成的问题，可以 采用镜像抑制接收机结构。这种结构利用正交性混频可以区分正频率成 分和负频率成分的特点，对有用信号和镜像信号进行不同的处理，然后 通过叠加来增强有用信号并同时抑制镜像信号。 l o 天津大学硕士学位论文第二章射频收发系统理论 图2 2h a r t l e y 镜像抑制接收机原理框图 图2 3w e a v e r 镜像抑制接收机原理框图 h a r t l e y 和w e a v e r 接收机都是镜像抑制接收机。即使不使用镜像抑 制滤波器，接收机结构本身也能对镜像信号进行一定的抑制。h a r t le y 接收机在正交下变频后，使用r c 移相网络将两路信号分别移相9 0 度。 在输出端通过相加或相减消除镜像信号，得到需要的信号。但是，由于 在实际实现中i 、q 两个支路存在幅度和相位不匹配问题，镜像信号并 不能完全受到抑制。而且由于r c 移相网络对失配很敏感，这进一步使 ， 得镜像抑制的精度受限，通常只能达到2 5 4 0 d b 。 w e a v e r 接收机的工作原理与h a r t l e y 接收机类似，也是通过两路信 号的相移和加减，实现对镜像信号的抑制。它使用两个混频器代替了r c 移相网络。由于混频器的匹配优于r c 网络，且易于集成，所以w e a v e r 接收机优于h a r t le y 接收机。但同h a r t le y 结构一样，由于在实际实现 天津大学硕士学位论文第二章射频收发系统理论 中i 、q 两个支路存在幅度和相位不匹配问题，镜像信号并不能完全受 到抑制。 2 1 3 零中频接收机 图2 4 零中频接收机原理框图 零中频接收机，也称为直接变频接收机。从天线来的信号由射频带 通滤波器滤除带外噪声，然后由低噪声放大器进行放大，放大后的射频 信号同时与一对正交本地振荡信号相混频，这一对正交本地振荡信号组 成一个只具有正频率成分的复信号，该复信号与射频信号混频后，使得 射频信号的负频率成分和正频率成分同时向正频率轴方向移动，经低通 滤波和放大后，可以得到i 、q 两路正交的基带信号。 在零中频接收机中，有用信号被直接下变频到基带。这种结构的好 处在于：首先，不需要中频滤波器，因此集成度大大提高；其次，由于 信号下变频到基带，因此可以使用低通滤波器代替带通滤波器来选择信 号，从而简化了滤波器的设计；再次，由于镜像信号就是接收信号本身， 也就是说，两者的动态范围相同，因此对镜像信号抑制的要求大大降低； 最后，接收机的结构简单，功耗自然降低。正因为这些优点，近年来该 结构得到了迅速发展，成为集成接收机设计的主要选择之一。 然而，零中频接收机在提高集成度的同时，也引入了许多问题。 其一，为了实现镜像信号和有用信号的分离，零中频接收机须采用 1 2 天津大学硕士学位论文第二章射频收发系统理论 双路正交下变频的结构。而双路结构存在着匹配问题，i 信道和q 信道 存在幅度失配和相位失配。当两路失配时，会影响接收信号的质量。 其二，零中频接收机将射频信号直接转换到基带，降低了对镜像抑 制率的要求，但却带来了另一方面的问题。下变频器及后面各模块引入 的直流失调成分将直接叠加在有用信号上，对有用信号造成干扰。这些 直流失调成分的能量可能比有用信号强很多，会淹没有用信号，并使得 后面的各级处理模块出现饱和。直流失调是阻碍零中频接收机广泛应用 的一个主要因素。 2 1 4 低中频接收机 图2 5 低中频接收机系统结构 低中频接收机的核心是用一个仅具有正频率成分的复本地振荡信 号来将射频信号转换到一个较低的中频。下变频后有用信号位于负频率 处，镜像信号位于正频率处，它们是分开的，只要低频处理模块能抑制 位于正频率处的镜像信号，就可以使有用信号不受镜像信号的干扰。低 中频接收机将镜像抑制问题由射频转移到比较低的中频，缓解了实现压 力，使得该类接收机比较容易集成，同时下变频后的信号不位于基带， 避免了零中频接收机所遇到的直流失调问题，是一种比较好的接收机结 构。但在实际实现中，由于本地振荡信号的i 、q 两个支路存在幅度和 相位不匹配，使得本地振荡信号不是一个纯净的、仅具有正频率成分的 复信号，而可能还会存在一定的负频率成分，混频后位于负频率处的有 天津大学硕士学位论文 第二章射频收发系统理论 用信号会受到镜像信号的干扰。i 、q 两个信号支路之间也可能存在幅 度和相位不匹配，这些不匹配对接收机性能的影响同本地振荡信号i 、 q 支路不匹配的影响是一样的，这会进一步恶化接收机的性能。在零中 频接收机中，镜像信号就是自身，因此对镜像抑制的要求比较低。而在 低中频接收机中，镜像信号可能比有用信号高很多，需要大镜像抑制和 双路信号的精确匹配，这是该结构的最大缺点。一般的正交结构只能提 供2 6 d b 左右的镜像抑制，远远不能达到要求，所以，_ 般这种结构应 用在对镜像抑制的要求不高的场合。 2 2 射频发射机的系统结构 在发射机中，由于输入的唯一信号是有用信号，因此不会面临接收 机所遇到的各种干扰问题，而且有用信号的能量较高，动态范围也较小， 所以相对说来，发射机比较容易实现。 2 2 1 超外差式发射机 图2 6 超外差式发射机系统结构 超外差式发射机是最常使用的一种发射机结构，它的系统结构如图 2 6 所示。在这种发射机结构中，第一级上变频操作是在数字域进行的 ( 当然也可以在模拟域进行) ，并且通常采用正交上变频结构。在数字 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章射频收发系统理论 域实现第一级上变频可以使i 、q 支路精确匹配，避免了i 、q 支路 不匹配对电路性能的影响。混频后的中频信号经数摸变换器转换到模拟 域，由中频滤波器滤除混叠信号，然后和本地振荡信号在上变频器中进 行混频，混频后的结果由镜像抑制滤波器抑制镜像信号和滤除谐波成 分，最后由功率放大器进行放大并经天线辐射出去。 超外差式发射机的集成度受到镜像抑制滤波器的影响。为了不干扰 其它信道的信号，发射机对镜像信号应具有足够的抑制率，故这种结构 对滤波器具有很高的要求，一般不能将镜像抑制滤波器集成在芯片上， 影响了集成度。另外，为了减轻对镜像抑制滤波器的压力，超外差式发 射机的中频频率一般较高，这样增加了数字域处理和数模变换器的实现 难度。虽然可以采用多级上变频来解决超外差式发射机中频频率较高的 问题，但这样将需要很多片外带通滤波器来抑制镜像信号，进一步降低 了集成度，增加了成本，系统的功耗也会相应增大。 2 2 2 直接上变频发射机 直接上变频发射机将基带信号直接正交上变频到载波频段，在上变 频过程中不会产生镜像信号，从而避免了镜像抑制问题。这种发射机的 系统结构如图2 7 所示。从数字域来的基带信号经数摸变换和低通滤波 后，由正交上变频器转换到射频频段，然后由功率放大器进行放大，由 片外射频带通滤波器滤除谐波成分后，经天线辐射出去。 图2 7 直接上变频发射机系统结构 l q 天津大学硕士学位论文第二章射频收发系统理论 在直接上变频发射机中，本地振荡信号频率和有用信号频率完全相 同，本地振荡信号和有用信号之间会互相干扰。一方面，本地振荡信号 经由衬底耦合等方式会泄漏到射频信号通道，叠加在频率完全相同射频 信号上，不可分离，直接干扰有用信号。另一方面，射频信号经功率放 大器放大后，成为一个强信号，该信号也会通过衬底耦合等方式泄漏到 本地振荡器中，使本地振荡器产生负载牵引效应。为了减小本地振荡信 号和射频信号之间的互相干扰，可以采用两种办法，一种办法是加大提 供本地振荡信号的锁相环的环路带宽，使锁相环对外来干扰具有很好的 抑制作用；另一种方法是采用与载波频率不同的本地振荡信号频率，比 较常见的是使本地振荡器的振荡频率仅为载波频率的一半或者两倍，然 后通过倍频或者分频的方法来得到与载波频率相同的本地振荡信号。 1 6 天津大学硕士学位论文 第三章系统设计 3 1 设计方案 第三章系统设计 按要求设计一个无线语音及数据传输系统，实现主站至从站间的语 音及数据传输业务。由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发 送信息，设计中采用了分立元件构成音频无线发射电路。数据传输业务 对误码非常敏感，所以拨号选呼和收发中英文短信采用f s k ( 频移键控) 方式。 3 2 方案论证与比较 3 2 1 音频无线发射电路设计方案论证与选择 方案一：采用单片调频发射集成电路组成芯片m c 2 8 3 3 。它可构成发 射高频率信号的功率放大器。电路由话筒放大器、可变电抗器、射频振 荡器、输出缓冲器以及放大电路构成。由集成芯片m c 2 8 3 3 组成的调频 发射机，先将语音通过话筒变成音频电压信号送给微音放大器进行音频 电压放大，此音频电压信号经耦合电容送给可变电抗的输入端脚3 去控 制可变电抗，而由可变电抗以及电感、晶体与高频振荡器组成调频振荡 电路，产生调频波经缓冲送给两级二倍频放大器。电路实现基本框图如 图3 1 所示。但由于该芯片涉及到的谐振回路较多，不易统调，因而频 率不易控制，导致信号不稳定，容易跑台，实现较为困难。 图3 1m c 2 8 3 3 电路基本框图 1 7 天津大学硕士学位论文第三章系统设计 方案二：采用集成芯片b a l 4 0 4 及相关电路构成。它主要由前置音 频放大器，立体声调制器，f m 调制器及射频放大器组成。利用内部参考 电压改变变容二极管的电容值，可实现发射频率的调整。图3 2 所示为 电路框图。此电路可实现立体声调频发射，典型调频频段为7 5 1 0 8 m h z ， 振荡频率不易调整，尤其是低端频率实现困难，难以实现要求频段的调 整。 图3 2b a l 4 0 4 电路基本框图 方案三：采用分立元件构成音频无线发射电路。图3 3 所示为分立 元件调频电路框图。利用三极管构成高频振荡器，调节相应的电感和电 容的大小，可产生稳定的中心频率，在音频信号的作用下，可产生相应 的调频波，再经过缓冲放大和末级功率放大，得到需要的调频信号。相 对前两种电路，不仅电路简单，而且调试控制非常灵活，可靠性好，抗 干扰能力强，容易实现调频的要求。 图3 3 分立元件调频电路框图 综上所述，本设计选择方案三，即利用分立元件构成音频无线发射 电路。 1 8 天津大学硕士学位论文 第三章系统设计 3 2 2 音频无线接收电路设计方案论证与比较 方案一：采用芯片m c 3 3 6 2 。该芯片是美国m o t o r o l a 公司生产的单 片窄带调频接收电路，主要应用于语音通讯和数据传输的无线接收机。 调频接收电路框图如图3 4 所示。m c 3 3 6 2 片内包含振荡电路、混频电路、 限幅放大器、积分鉴频器、场强指示驱动及载频检波电路等电路。具有 低供电电压、低功耗、灵敏度高等特点，主要应用于语音和数字通讯的 接收设备。但是该电路较多用于调频广播接收，在要求的频段内进行调 试相对困难。 图3 4m c 3 3 6 2 调频接收电路框图 方案二：采用集成芯片c x a l 0 1 9 s 。该芯片内部电路包括了a m f m 收音机从天线输入经调频高放、本振、混频在由中放、检波、直至调频 功放的整个环节。调频接收电路，将调幅输入端i c 对变频信号公共端 短路，拉杆天线经耦合电容到带通滤波器，该滤波器的作用是抑制调频 波段以外的信号的干扰。c x a l0 19 s 虽然把调频头电路集成进去，提高了 集成度，但是相对c x a l 2 3 8 s 增益较低，因而接收灵敏度较低。调频接 收电路框图如图3 5 所示。 图3 5c x a l 0 1 9 s 调频接收电路框图 1 9 天津大学硕士学位论文 第三章系统设计 方案三：采用集成芯片c x a l 2 3 8 s 。该芯片内部包含f m 前置放大、 立体声解调放大、f m 中频放大及鉴频等环节，尤其是芯片内采用了锁相 技术，因而具有中心稳定，调谐简单、抗干扰性强、电路稳定等优点。 集成电路c x a l 2 3 8 s 芯片内部框图如图3 6 所示。 路。 图3 6 集成芯片c x a l 2 3 8 s 内部框图 综上所述，本设计选择方案三，即采用c x a l2 3 8 s 构成的f m 解调电 3 2 3 拨号及英文短信电路设计方案论证与比较 方案一：采用a s k ( 振幅键控) 电路。振幅键控可以通过乘法器和开 关电路来实现。载波在数字信号1 或o 的控制下通或断，在信号为1 的 状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为o 的状态下，载 波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据 载波的有无还原出数字信号的1 和o 。对于二进制幅度键控信号的频带 2 0 天津大学硕士学位论文第三章系统设计 宽度为二进制基带信号宽度的两倍。a s k 方式容易受增益变化的影响， 是一种低效的调制技术。a s k 波形如图3 7 所示，a s k 信号产生原理如 图3 8 所示。 二进制序列a s k 信号的一般表达式为 船协护瞽叫c o s 叫， 2 a s l 狺号 图3 7a s k 二进制幅移键控信号的波形 开关电路 ( a ) 2 a s k 信号产生的模拟法( b ) 2 a s k 信号产生的键控法 图3 8a s k 信号产生原理框图 方案二：采用f s k ( 频移键控) 电路。频移键控是利用两个不同频率 f l 和f 2 的振荡源来代表信号1 和0 ，其波形如图3 9 所示。用数字信 号的l 和0 去控制两个独立的振荡源交替输出。虽然f s k 调制方式频带 利用率低，但由于其具有良好的抗衰弱性和信号传送过程中较低的误码 率，特别适合于较高质量的数据传输。 已调信号的时域表达式为 2 l 天津大学硕士学位论文 第三章系统设计 一舻怯复：三 3 2 f s k 信号 厂t qqm 图3 92 f s k 信号的波形 二进制频移键控信号的产生方法有两种：模拟调频法；键控调频法。 对于矩形脉冲序列调制器可以采用模拟信号调频电路实现，也可以 采用键控法，即用输入二进制序列去控制两个独立的载波发生器，序列 中的“1 ”码控制输出载波频率f 1 ；“o ”码控制输出载波频率f 2 。 s ( 于) k模拟 调频器 ( 口) ( 6 ) ( a ) 模拟信号调频电路( b ) 键控法 图3 1 02 f s k 调制方式 综上所述，采用f s k ( 频移键控) 方式实现拨号及英文短信的发送。 天津大学硕士学位论文第三章系统设计 3 3 系统组成 经过方案比较与论证，最终确定的发送及接收系统框图分别如图 3 1 1 和图3 1 2 所示。 发射机系统发送信息分为两个信道，语音信道采用f m 调频技术， 将接收的话筒输入或线路输入语音信号，调制在1 4 6 m h z 载波上，经功 率放大和射频电路发送出去。同时，用于选通从站的站号和中英文短信 等数字信号通过数字信道发送。由于此类信息相对于语音信号对误码率 有更高的要求，所以设计时采用了f s k 调制方式。数字信号由单片机控 制，相关信息可以通过键盘电路输入，经编码电路编码后送往f s k 调制 电路，调制后的信号经放大电路放大后送往天线发送。同时，站号和中 英文短信等数字信息可以由通过液晶显示电路显示。 接收机系统的两个信道可以同时工作，语音f m 信号经f m 解码电路， 解调出的语音信号经功率放大，输出到耳机或扬声器等输出设备。站号 和中英文信息等f s k 信号经f s k 解调及单片机电路处理，输出到液晶显 示电路进行显示。其中站号用于选呼和群呼控制。从机系统采用电池组 供电，经d c d c 电路取得所需工作电压。 话筒输入 蹦调频电路射频信号发送 线路输入 编码电路il 焉k 电路 电 + 5 、千 源 i 电 + 1 2 v 单片机控制l- l 液晶显示电路 路 7 键盘电路 图3 一l l 发射机组成框图 天津大学硕士学位论文第三章系统设计 固 图3 1 2 接收机组成框图 2 4 天津大学硕士学位论文第四章单元电路设计 第四章单元电路设计 4 1 音频无线发射电路的设计 本设计中的声音调频发射部分采用常用分立元件构成电路。如图 4 1 所示。射频电路由高频振荡器、缓冲放大器、末级功率放大器及天 线组成。高频振荡器用来产生载频信号，频点落在1 4 6 m h z 内，通过改变 电感量即可改变发射频率。在音频信号的作用下，通过改变晶体管极间 电容实现调频，产生相应的调频波，射频信号由q 的发射极输出，送到 q2 、l2 、c 8 、r5 等组成的缓冲放大器进行功率提升，并可减轻末级放大 电路对振荡器的影响。末级为高频丙类窄带放大，对射频功率再进一步 放大，经c 1 3 耦合到发射天线向周围空间辐射。 鸣牛蹁j l r 5 【 = c ：) 一9 0 1 8 上 j3 3 k 士c 1 息= 蹄广 i 1 0 4 p i j - r 1 i ic 2 l l u k i i c 6 以器u i l l 彩卜j l k 9 1 0 i n l = 鄂；：i 1。 9 。1 8 1 = 链p i黔k 咏= j 图4 一l 调频无线发射电路图 调频电路是通过改变晶体管极间电容实现调频的，由于任何p n 结 在加反向电压时，反向电压的变化将会引起结电容的变化，即所谓变容 效应。在晶体三极管电路中，集电结就是一个加有反向电压的p n 结。 天津大学硕士学位论文第四章单元电路设计 因此，利用集电结的变容效应也可实现调频。 图4 1 中，q1 、l l 、c 3 、