模拟无线收发系统2013年3月16日

1、模拟无线收发系统主讲人：邹利伟主讲人：邹利伟2013年年3月月23日日目录：目录：无线通信的特点无线通信的特点 3无线通信的介绍无线通信的介绍1无线收发模块芯片无线收发模块芯片5无线收发无线收发原理和组成原理和组成4无线收发模块的设计无线收发模块的设计6无线通信的发展无线通信的发展2无线通信的介绍无线通信的介绍 通信与我们生活息息相关通信与我们生活息息相关 生活中的通信经历了从有线到无线的发展生活中的通信经历了从有线到无线的发展 这个变化对人们生活也有着重要的影响这个变化对人们生活也有着重要的影响古时候古时候 我们使用的书信来传递信息我们使用的书信来传递信息有线电话时代有线电话时代 我们使用的

2、是有线电话我们使用的是有线电话无线电话时代无线电话时代 我们使用的是无线通信我们使用的是无线通信“无线通信（无线通信（Wireless communication）是利）是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展速度最快、应用最广的就是无线通信技中，发展速度最快、应用最广的就是无线通信技术了。在移动中实现的无线通信又称为移动通信，术了。在移动中实现的无线通信又称为移动通信，人们把二者合成为无线移动通信。人们把二者合成为无线移动通信。”现在生活中我们常接触无线

3、通信现在生活中我们常接触无线通信那究竟什么是无线通信呢？那究竟什么是无线通信呢？无线通信的发展无线通信的发展无线通信能够走进千家万户 这一切还得从很多年前的那个夜晚那个城市里那个实验室里那个人说起1864年 麦克斯韦经过多年的努力终于从理论上证明电磁波的存在1888年 赫兹证明电磁波的存在1895年 马可尼成功试验数百米的无线通信1901年 马可尼又成功试验了跨越大西洋的无线通信1938年 里斯本首次采用了PCM无线通信方式七八十年代 开启了无线局域网的新时代手机等无线通讯工具也逐渐普及到人们的生活从此掀开了无线通信技术研究的序幕无线电波无线电波是一种电磁波，其传播速度与光速相同，且有=c/f

4、。无线电波具有直射、绕射、反射与折射等现象。无线电波的三种传播途径（如图）：图图1.1.无线电波传播途径无线电波传播途径 在电磁波频率在电磁波频率低于低于100khz100khz时，电磁波会被地表吸时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于高于100khz100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的层外缘的电离层电离层反射，形成远距离传输能力，我反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，射频技术在无线通信领域中被广泛使用。

5、，射频技术在无线通信领域中被广泛使用。 表表1.1.无线电波的波段划分表无线电波的波段划分表无线通信的特点无线通信的特点 无线信道的传输特性决定了无线网络设计与有线网络设计无线信道的传输特性决定了无线网络设计与有线网络设计的截然不同。随机的无线信道不是理想的传输媒介。的截然不同。随机的无线信道不是理想的传输媒介。 无线信道随机多变。当信号通过电磁波在无线信道中传播无线信道随机多变。当信号通过电磁波在无线信道中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、散射和绕射，从而导致信号通过多条路径到达接收机，、散射和绕射，从而导致信号通过多条

6、路径到达接收机，造成多径效应，多径效应会导致信号的衰减。造成多径效应，多径效应会导致信号的衰减。 如果发射机、接收机或周围的物体在运动，多径反射和衰如果发射机、接收机或周围的物体在运动，多径反射和衰减的变化将使接收信号经历随机波动。而在有线通信中信减的变化将使接收信号经历随机波动。而在有线通信中信号传输过程中仅有衰减和和噪声的干扰，接收端的信号相号传输过程中仅有衰减和和噪声的干扰，接收端的信号相对稳定没有多径效应和随机波动。对稳定没有多径效应和随机波动。 由于无线电波能够全向传输的特性，导致一定区域范围内由于无线电波能够全向传输的特性，导致一定区域范围内的无线信号可以相互干扰，为了克服干扰我们

7、必须把共享的无线信号可以相互干扰，为了克服干扰我们必须把共享信道分成若干互不干扰的子信道，再分别分给各个用户，信道分成若干互不干扰的子信道，再分别分给各个用户，这大大限制了无线通信系统的容量；另外，无线电波能够这大大限制了无线通信系统的容量；另外，无线电波能够全向传输的特性也使得无线通信的安全难以保证，任何人全向传输的特性也使得无线通信的安全难以保证，任何人通过一部射频天线就可以轻松的截获电波。为了支持电子通过一部射频天线就可以轻松的截获电波。为了支持电子商务、信用卡交易这样的业务，无线网络的安全性必须进商务、信用卡交易这样的业务，无线网络的安全性必须进一步加强。一步加强。 除了上述特性，无线

8、通信对设备的要求也比有线通信要高除了上述特性，无线通信对设备的要求也比有线通信要高。对手机的要求主要是体积小、重量轻、省电、操作简单。对手机的要求主要是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台除要求操作简单和维修方便和携带方便。车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常外还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。工作。图2.无线通信类型 无线通信技术的应用已经深入到人们生活和工作的各个无线通信技术的应用已经深入到人们生活和工作的各个方面。在当代社会，无线通信也不仅仅简单地应用于普通方面。在当代社会，无线通信也不仅仅简单地

9、应用于普通移动通讯了，本世纪最热门的无线通信科研方向是移动通讯了，本世纪最热门的无线通信科研方向是3G3G、WLANWLAN、UWBUWB、蓝牙、宽带卫星系统。、蓝牙、宽带卫星系统。无线收发原理和组成 无线通信系统组成框图无线通信系统组成框图图图3.3.无线通信系统无线通信系统 各部分作用各部分作用1.信息源：提供需要传送的信息提供需要传送的信息2.变换器：待传送的信息（图像、声音等）与电信号之间待传送的信息（图像、声音等）与电信号之间的互相转换的互相转换3.发射机：把电信号转换成高频振荡信号并由天线发射出把电信号转换成高频振荡信号并由天线发射出去去4.传输媒质：信息的传送通道（自由空间）信息

10、的传送通道（自由空间）5.接收机：把高频振荡信号转换成原始电信号把高频振荡信号转换成原始电信号6.受信人：信息的最终接受者信息的最终接受者信号在空间直接发送存在的问题信号在空间直接发送存在的问题天线尺寸天线尺寸 天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波波长长的的1/1011/101），信号才能被天线有效的辐射出去。对），信号才能被天线有效的辐射出去。对于音频范围于音频范围20Hz20kHz20Hz20kHz来说，这样的天线不可能实现。来说，这样的天线不可能实现。信号选择信号选择 如果直接发射，多家电台的发射信号频率范如果直接发射，多家电台的发射信号频率范围大致

11、相同，接收机无法区分。围大致相同，接收机无法区分。发送设备的基本原理和组成为解决为解决天线尺寸和多用户分别接收问题天线尺寸和多用户分别接收问题，通常把需传送，通常把需传送的信息加载到高频振荡过程中去，作为载波来传送有用的信息加载到高频振荡过程中去，作为载波来传送有用信息，在发送端利用低频信号去控制高频信号的某一个信息，在发送端利用低频信号去控制高频信号的某一个参数，使高频信号的该参数按照低频信号的变化规律而参数，使高频信号的该参数按照低频信号的变化规律而变化，这种方法称为调制。变化，这种方法称为调制。通常调制有三种方式，可分为调幅通常调制有三种方式，可分为调幅(AM)(AM)，调频，调频(FM

12、)(FM)，调，调相相(PM)(PM)三种方式，对应的，也需要检波器，鉴频器，鉴三种方式，对应的，也需要检波器，鉴频器，鉴相器来解调接收。相器来解调接收。三种信号：调制信号、载波信号和已调信号三种信号：调制信号、载波信号和已调信号 1.11.1调幅方式调幅方式 调幅方式是最早应用于无线电传送的一调幅方式是最早应用于无线电传送的一种调制方式，它具有电路结构简单，电波传送距离远及占种调制方式，它具有电路结构简单，电波传送距离远及占用频带宽度窄的优点。因此目前仍然在无线广播中应用。用频带宽度窄的优点。因此目前仍然在无线广播中应用。但是由于它本身产生方式的限制，它同样存在动态范围小但是由于它本身产生方

13、式的限制，它同样存在动态范围小，抗噪声能力差，波形失真严重等缺陷。此外，抗噪声能力差，波形失真严重等缺陷。此外, ,为增大信为增大信噪比往往需要很大的发射功率，因此很耗费能源。噪比往往需要很大的发射功率，因此很耗费能源。 1.21.2调频方式调频方式 调频就是根据信号振幅的大小来提高或调频就是根据信号振幅的大小来提高或降低载波的频率。要改变载波的频率，就需要改变振荡器降低载波的频率。要改变载波的频率，就需要改变振荡器的振荡频率。即根据信号波振幅的大小来改变振荡频率，的振荡频率。即根据信号波振幅的大小来改变振荡频率，由此完成调频。虽然调频方式的频带利用率低且设备复杂由此完成调频。虽然调频方式的频

14、带利用率低且设备复杂，但是调频方式具有音质好，信噪比优越，抗干扰能力强，但是调频方式具有音质好，信噪比优越，抗干扰能力强和动态范围大的优点。和动态范围大的优点。 调频有直接调频方式和间接调频方式。直接调频是直接利调频有直接调频方式和间接调频方式。直接调频是直接利用信号波改变振荡器的频率，间接调频则是利用积分器和用信号波改变振荡器的频率，间接调频则是利用积分器和调相器来实现调频。直接调频的频率稳定度虽然较低，但调相器来实现调频。直接调频的频率稳定度虽然较低，但是因其电路结构简单而被广泛应用。间接调频的频率稳定是因其电路结构简单而被广泛应用。间接调频的频率稳定度高，通常应用于广播电台与移动电台中。

15、度高，通常应用于广播电台与移动电台中。 1.31.3调相方式调相方式 调相就是用信号波的振幅去控制载调相就是用信号波的振幅去控制载波的相位，使载波的相位随信号波线形变化。调波的相位，使载波的相位随信号波线形变化。调相与调频一样具有抗干扰能力强，音质好，动态相与调频一样具有抗干扰能力强，音质好，动态范围大等优点。但是，它与单边带调幅一样技术范围大等优点。但是，它与单边带调幅一样技术复杂设备昂贵因而在模拟通信中应用较少。复杂设备昂贵因而在模拟通信中应用较少。 采用调幅发射接收机具有结构简单、外接芯片采用调幅发射接收机具有结构简单、外接芯片 少少等优点，但抗干扰能力较差。调频发射接收由于等优点，但抗

16、干扰能力较差。调频发射接收由于有限幅器和陷波器，所以抗干扰能力强。有限幅器和陷波器，所以抗干扰能力强。典型发送设备的组成框图典型发送设备的组成框图图图4.4.调幅式无线电广播发射机方框图调幅式无线电广播发射机方框图信号的信号的“卸载卸载”解调解调1)1)什么是解调？什么是解调？ 从高频已调波信号中从高频已调波信号中“取出取出”调制信号的过程。调制信号的过程。2)2)解调的三种方式解调的三种方式 对调幅波的解调对调幅波的解调检波检波 对调频波的解调对调频波的解调鉴频鉴频 对调相波的解调对调相波的解调鉴相鉴相典型接收设备的组成框图图图5.5.超外差调幅收音机方框图超外差调幅收音机方框图无线收发芯片

17、介绍无线收发芯片介绍 我们对速度要求并不高，所以用普通的我们对速度要求并不高，所以用普通的5151单片机单片机完全可以满足系统要求。而且还要有一个发送设完全可以满足系统要求。而且还要有一个发送设备、一个接收设备，而备、一个接收设备，而MC2833MC2833和和MC3362MC3362是比较典是比较典型的无线收发系统，若要在对其采用晶体提供本型的无线收发系统，若要在对其采用晶体提供本振，会使整个系统很稳定，且数字和模拟都有入振，会使整个系统很稳定，且数字和模拟都有入口和出口。另一个优点是本套系统的性价比很高口和出口。另一个优点是本套系统的性价比很高，每个用到的芯片都是很经济的，而且功能还很，每

18、个用到的芯片都是很经济的，而且功能还很完备。完备。 音频的输入使用驻极体电容麦克风音频的输入使用驻极体电容麦克风驻极体电容麦克风内部结构图驻极体电容麦克风内部结构图 BMBM1 1为驻极体送话器，其内部结构如左图所示，它由驻极体为驻极体送话器，其内部结构如左图所示，它由驻极体振动膜和场效应管振动膜和场效应管VGVG1 1组成。场效应管与外接电阻组成。场效应管与外接电阻R R1 1组成共源组成共源极放大电路。极放大电路。 驻极体膜片遇到声驻极体膜片遇到声波振动时，电容极板波振动时，电容极板之间的距离发生变之间的距离发生变化，该电容的容量也化，该电容的容量也随之变化。电容器两随之变化。电容器两极的

19、电荷量是固定极的电荷量是固定的，电容量因而就引的，电容量因而就引起极板间电压变化，起极板间电压变化，从而就产生随声波变从而就产生随声波变化的交变音频电压。化的交变音频电压。送话器电路送话器电路MC2833芯片发射机芯片 MC2833MC2833是美国是美国MOTOROLAMOTOROLA公司为无绳电话和调频公司为无绳电话和调频通信设备而专门设计的通信设备而专门设计的调频发射机子系统，它调频发射机子系统，它包括一个话筒放大器、包括一个话筒放大器、电压控制振荡器和两个电压控制振荡器和两个辅助的晶体管。由于其辅助的晶体管。由于其内部的两个辅助晶体管内部的两个辅助晶体管的截止频率的截止频率ftft高达

20、高达500 500 MHZMHZ，因此该芯片在无绳，因此该芯片在无绳电话和小功率调频发射电话和小功率调频发射机中具有广泛的应用。机中具有广泛的应用。图图6.MC28336.MC2833芯片芯片MC2833内部图 MC2833MC2833是一个单片是一个单片FMFM发射发射机子系统。它包含一个话机子系统。它包含一个话筒放大器，一个压控振荡筒放大器，一个压控振荡器和两个辅助晶体管。它器和两个辅助晶体管。它具有大范围工作电压（具有大范围工作电压（2.8 2.8 -9.0V-9.0V），工作温度范围是），工作温度范围是-30-30度到度到7575度。所需外部元度。所需外部元件很少，采用直接件很少，采用

21、直接FRFR（射（射频）输出，能达频）输出，能达60MHz60MHz的的- -30dBm30dBm的功率输出，且它的的功率输出，且它的功耗相对较小。如果在芯功耗相对较小。如果在芯片上的晶体管放大可得片上的晶体管放大可得+10dBm+10dBm功率输出。功率输出。图图7.MC28337.MC2833内部芯片图内部芯片图 语音信号从语音信号从MC2833MC2833的的5 5脚脚输入，经话筒放大器放大输入，经话筒放大器放大后由后由4 4脚输出，以此信号脚输出，以此信号为调制信号，从为调制信号，从3 3脚输入脚输入（要发送的英文字母、数（要发送的英文字母、数据也是从据也是从3 3脚输入），将脚输入）

22、，将其调制在载波上，通过其调制在载波上，通过1 1脚送到脚送到RFRF振荡器上，射频振荡器上，射频输出后，由倍频器进行倍输出后，由倍频器进行倍频，由选频器进行两次选频，由选频器进行两次选频，再经一个功率放大器频，再经一个功率放大器后输入，为了使输出功率后输入，为了使输出功率符合题目要求的符合题目要求的20mw20mw，还，还要经过一个阻抗匹配网络要经过一个阻抗匹配网络后才最终从拉竿天线将其后才最终从拉竿天线将其发射射出去。发射射出去。图图8.1 MC28338.1 MC2833内部结构图内部结构图MC2833组成调频发射机的基本原理 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语音通过话

23、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入端脚3 3去控制可变电抗。而由受音频电压控制的可变电去控制可变电抗。而由受音频电压控制的可变电抗经小电感和晶体与高频振荡器组成调频振荡电路，产生抗经小电感和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三倍频放大器。通过高频振荡器后调频波经缓冲送给两级三倍频放大器。通过高频振荡器后，输出载频为，输出载频为49.875MHz49.875MHz的调频波。的调频波。 电路中所有的线圈均为电路中所有的线圈均为7MM7MM屏蔽电感，可以使用屏蔽电

24、感，可以使用M1175A, M1175A, M1282AM1282A，M1289AM1289A等，电容应使用云母镀银电容。等，电容应使用云母镀银电容。中周就中周就是中频变压器（俗称中周） 7MM7MM屏蔽电感一般使用中周代替。屏蔽电感一般使用中周代替。 中周也称中周也称“可调电感可调电感”、“射频电感射频电感”，其电感量具有可，其电感量具有可调特点，体积小，调特点，体积小，Q Q值高。值高。 实际实际电路电路中的中周常用中的中周常用BZ1BZ1、BZ2BZ2、BZ3BZ3等符号表示。在使等符号表示。在使用中不能随意调换它们在电路中的位置。用中不能随意调换它们在电路中的位置。 天线 在一般情况下

25、，天线是无在一般情况下，天线是无线电设备不可缺少的组成线电设备不可缺少的组成部分。对于发射机而言，部分。对于发射机而言，天线的作用是辐射电磁波天线的作用是辐射电磁波，用它把高频电流转换为，用它把高频电流转换为电磁波发射出去。电磁波发射出去。 天线是发信设备的负载天线是发信设备的负载。图图9.9.无线天线无线天线MC3362接收机芯片 MC3362MC3362是是MOTOROLAMOTOROLA公司设公司设计、生产的单片集成低功计、生产的单片集成低功耗双变频耗双变频FM FM 接收机接收机, ,该芯该芯片内部集成有振荡器、混片内部集成有振荡器、混频器、正交检波器、表头频器、正交检波器、表头驱动电

26、路、载波检测电路驱动电路、载波检测电路以及第一、第二本地振荡以及第一、第二本地振荡器缓冲输出和一个用于器缓冲输出和一个用于FSK FSK 检波的比较器电路。检波的比较器电路。作为包含从天线输出到音作为包含从天线输出到音频前置放大器输出所有主频前置放大器输出所有主要电路的要电路的MC3362, MC3362, 它的低它的低压工作的双变频电路设计压工作的双变频电路设计, , 使其用于窄带话音及数使其用于窄带话音及数据链路系统时据链路系统时, , 具有功耗具有功耗低、灵敏度高、镜频干扰低、灵敏度高、镜频干扰抑制效果好等优点抑制效果好等优点图图10.MC336210.MC3362芯片芯片MC3362内

27、部图 MC3362MC3362型单片调频接收型单片调频接收机，其特点是：（机，其特点是：（1 1）工）工作频率高，使用芯片内作频率高，使用芯片内部振荡电路时，工作频部振荡电路时，工作频率可达率可达200MHz200MHz，使用外，使用外接本振电路时，则工作接本振电路时，则工作频率可以高达频率可以高达450MHz450MHz；（2 2）接收灵敏度高，当）接收灵敏度高，当信噪比为信噪比为12dB12dB时，典型时，典型值可以到达值可以到达0.30.3微伏；微伏；(3)(3)功耗低功耗低, ,标准耗电电标准耗电电流只有流只有3.63.6毫安（毫安（Vcc=3VVcc=3V时）；（时）；（4 4）供电

28、范围宽）供电范围宽，（，（2727）V V均能正常工均能正常工作；（作；（5 5）音频输出电压）音频输出电压较大，约为较大，约为350350毫伏。另毫伏。另外，该芯片的噪声低，外，该芯片的噪声低，镜像选择性好，并有接镜像选择性好，并有接收信号强弱显示器，其收信号强弱显示器，其动态范围可达动态范围可达60dB60dB。 图图11.MC336211.MC3362芯片引脚图芯片引脚图 调频信号经选频网络由引脚调频信号经选频网络由引脚1 1进入集成芯片进入集成芯片MC3362 MC3362 ，经第，经第一混频放大器（一混频放大器（18dB18dB），与），与第一本振信号（第一本振信号（25.600MHz25.600MHz）混频转换为第一中频（即调混频转换为第一中频（即调频信号）信号频信号）信号10.700MHz10.700MHz，第，第一中频信号再经过芯片外部一中频信号再经过芯片外部的带通滤波器（的带通滤波器（10.700MHz10.700MHz即即陶瓷滤波器）的处理后与第陶瓷滤波器）的处理后与第二本振（二本振（10.245MHz1