射頻技術和無線電怎樣聯繫起來?雙射頻接收器工作原理及設計方案

　　現代射頻儀器已經從單純的測量設備發展成為重要的系統設計工具。這種發展得益於軟體無線電（SDR）引發的各種技術。軟體無線電所具有的靈活性正在掀起無線通信行業以及射頻測試儀器的變革。

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　　20世紀80年代末，？？工程師們開始嘗試軟體無線電構想。過去，無線電需要依賴於複雜模擬電路才能發送和接收射頻和微波信號以及實現對信息信號的編碼和解碼。軟體無線電的最初構想是使用通用無線電來進行信號發送和接收，同時在軟體中執行多個物理層功能（如調製和解調）。

　　WalterH.W.Tuttlebee在其發表的文章SoftwareDefined Radio:Origins，DriversandInternaTIonal PerspecTIves中寫到：軟體無線電最初的一些典型應用包括軍用無線電通信項目，比如20世紀90年代初的SPEAKeasy項目。在該項目的設計中，通過在軟體中開發許多調製和解調功能，無線電為各種無線接口之間提供了互操作性。

　　然而，到了90年代末，工程師們開始積極研究軟體無線電技術在商業系統的應用，如蜂窩基站。其中闡述越來越多應用的軟體無線電需求的一篇最有影響力的論文是Joseph Mitola III博士於1993年發表在IEEE Spectrum的Software Radios： Survey， CriTIcal EvaluaTIon and Future Directions。Mitola博士也由於其廣泛的研究而被稱為「軟體無線電之父」」。

　　最能夠體現軟體無線電方法的優勢也許是現代基站。隨著無線標準從GSM演變到LTE，通過硬體來增加對新標準的支持變得日益困難。此外，基站是通過複雜且不斷更新換代的軟體來進行信號處理和閉環控制。例如，功率放大器（PA）線性化技術，如數字預失真（DPD），對基站的性能至關重要，並且隨著時間的推移不斷發展。因而，軟體無線電方法成為基站設計和維持長期支持性的理想選擇。

　　儀器的根本變革

　　與此同時，軟體無線電架構正日益廣泛地應用於無線行業，射頻測試和測量設備正在經歷一個重大的轉折。21世紀初，新無線標準的問世要求儀器能夠提供更加豐富的測量功能，因而也要求架構更加靈活。由於這需要大量的射頻測量工程師才能實現，過去針對少數應用專門設計儀器的做法已經變得不切實際。因此，測試廠商開始探索軟體定義射頻測試設備的概念。

　　傳統掃頻調諧頻譜分析儀的發展是整個行業過渡到軟體定義儀器系統最典型的例子之一。在傳統的頻譜分析儀中，解析度帶寬濾波和功率檢測等功能是基於模擬組件來實現的。然而，今天的現代射頻信號分析儀通過集成通用射頻下變頻器（無線電）來生成數位化I / Q採樣。該儀器能夠使用頻譜計算等多種方法來處理I / Q採樣數據。因此，可能用於執行光譜測量的同一信號分析儀還可以用於解碼RADAR脈衝、解調LTE信號或甚至無線記錄GPS信號。

　　如今，測試廠商已經進一步完善射頻儀器架構，以不斷趨近於軟體無線電架構。新一代射頻儀器的基本架構不僅結合了通用無線電，還結合了廣泛的PC和信號處理技術，如多核CPU和FPGA。今天，RF測試設備的軟體無線電化為傳統RF測試應用提供了顯著的優勢，同時也幫助工程師實現了以前無法用射頻儀器實現的應用。

　　摩爾定律對射頻測試的影響

　　儀器信號處理性能的不斷提高是將PC技術集成到RF儀器的最明顯優勢之一。摩爾定律預測CPU的處理能力將不斷提高，這意味著儀器的處理性能也會不斷提高。因此，由於CPU廠商不斷更新處理器技術，基於PC的儀器的測量速度也不斷加快。例如，十年前需要50 ms的頻譜測量現在只需5 ms即可完成。

　　除了CPU，現代射頻儀器也逐漸集成了現代軟體無線電的核心技術——FPGA。FPGA應用於射頻儀器已經有十多年，當今一個不斷發展的趨勢是讓儀器的FPGA實現用戶可編程。用戶可編程的FPGA將儀器的作用從單一功能設備擴展為無限靈活的閉環控制系統。

　　隨著當今支持FPGA的儀器的出現，工程師可以將FPGA的實時控制功能與對於時間要求極其嚴格的測試功能相結合。例如，在需要通過數字接口實現設備控制的測試應用中，支持FPGA的儀器可以同步執行數字設備控制與射頻測量。基於用戶可編程的FPGA提供的新測試方法，工程師們的測試時間提高了100倍。

　　支持FPGA的工具也推動了FPGA編程的巨大創新。儘管一些工程師多年來一直使用VHDL等硬體描述語言，但FPGA編程的複雜性為該技術的廣泛應用帶來重重障礙。

　　軟體無線電推動FPGA的應用

　　今天，RF儀器中類似於軟體無線電的架構元素已經模糊了傳統儀器和嵌入式平臺之間的界限。定義儀器的特性，如用戶可編程的FPGA，使得RF儀器日趨廣泛地用於嵌入式應用中。

　　二十年前，將價值上百萬美元的RF信號發生器和射頻信號分析儀組裝在一起來開發雷達系統的原型似乎令人難以想像。這種系統不僅成本高昂、規模巨大，而且複雜的編程體驗也令工程師望而生畏，不願使用無線通信設備之類的儀器。

　　然而現在，PXI等體積更小巧、功能更強大的基於PC的儀器平臺成為了電子嵌入式系統的理想原型解決方案。基於PC的儀器不僅能滿足嵌入式系統的尺寸和成本要求，同時也為工程師提供了一種可以重新配置RF儀器，從而實現RF儀器的廣泛應用的良好軟體體驗。所以，工程師開始使用射頻信號發生器和分析儀來設計雷達、信道仿真器、GPS記錄儀和DPD硬體等嵌入式系統。

　　使用軟體來充分定義和定製RF儀器行為的這一能力已經成為解決下一代測試挑戰的關鍵。因此，未來的RF儀器架構將越來越難與軟體無線電架構區分開來。

　　雙射頻接收器工作原理及設計方案

　　全球導航衛星系統GNSS（Global Navigation Satel-lite System）近年來得到了廣泛的引用，從而引發相關領域的高度關注。目前的接收機模式無法滿足日益增長的使用精度要求。所以，在原有的單模接收機的基礎 上研發更高精度、更加穩定耐用的雙模接收機成為研究的核心。

　　本文提出了一種GPS/Galileo雙頻雙模接收機射頻前端系統的設計方案，該方案結合現有資源，展示出了該種接收機設計的實例。重點分析了混頻部分、本振部分及控制部分的功能及實現。最後利用頻譜儀及射頻信號發生器等設備對實例進行系統級測試，驗證了系統結構的正確性。

　　1 GPS/Galileo 雙模雙頻接收機系統1.1 接收機結構

　　設計接收機首先要考慮的就是頻帶的選擇。如圖1所示，GPSL1/L5和GalileoE1/E5a中心頻率相同，如果選擇該頻段的話，那麼很多的元器件可以得到復用，從而極大地減少了研發和生產成本，同時也可以減小接收機的體積。

　　比較流行的雙頻雙模接收機射頻前端的結構大致有信號獨享通道、公用信道、通過控制使某一時刻通道內只有一個載頻信號三類。本設計以第三種方案為基礎，在儘可能減少信號相互幹擾的同時，爭取最大限度地復用元器件。結構圖如圖2所示。

　　1.2 接收機系統整體性能指標

　　在參考接收機的性能要求的基礎上，設計GPS接收機射頻前端晶片的各項系統指標見表1.