一种教学用无线接收装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种教学用无线接收装置，包括射频前端电路，射频前端电路为：天线、LNA、第一混频器、第一AGC、第二混频器和第二AGC依次连接，第一混频器的输入端还连接有第一本振；第二混频器的输入端还连接有第二本振；第一本振为：DDS、第一PLL、第一选择器和第二选择器依次连接，第一选择器的输出端还与第三混频器、LPF以及第二选择器的输入端依次相连，还设置有第二PLL，第二PLL连接到第三混频器的输入端；第二本振为第三PLL；第一混频器、第二混频器和第三混频器为全差分混频器，第一AGC和第二AGC为全差分AGC。本实用新型实现了对无线信号的超宽带和多制式接收，且具有超精细频率分辨能力。
【专利说明】一种教学用无线接收装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及教学实验设备领域，具体涉及一种教学用无线接收装置。
【背景技术】
[0002]当前无线通信终端产品已非常普及，无线通信的便利性使得诸如手机、掌上电脑和无线智能家具等已逐渐成为现代社会生活的基本元素。无线接收技术和无线接收装置是无线通信领域中非常重要的组成部分。无线通信课程是普通高等院校通信专业最基本的教学内容之一。随着技术的进步和教学要求的提高，传统仿真实验已不能满足通信教学要求。教学过程中往往需要一种能工作于宽广频率范围、能对多种调制方式的信号进行接收、能深入开展接收机研宄的实验系统。
[0003]目前，市场上已有各种各样的接收机，但都存在一些问题，难于在教学中使用，主要表现在以下二方面:
[0004]1、普及型家用接收机价格便宜，但技术指标差，功能单一，难于在教学中使用。普及型接收机通常以价格作为设计标准，尽量做到价格最优化，降低了技术指标。为了降低成本，普及型接收机通常把一个设计变得非常综合。例如一个射频前端放大器，这个放大器可能同时还要完成选频、自动增益控制、混频等功能。这种设计做到了成本最优，但由于设计的技术指标相互关联，不可能做到各项指标都最优，因此只能降低技术指标要求，这样一来也容易导致简单问题的复杂化，往往使设计原理变得综合与复杂。教学用接收机通常需要反映某个问题的关键原理，而尽量让其它因素影响最小，以便反映问题的实质。此外，该类接收机通常采用机械式LC回路实现选频，由于LC回路的频率覆盖系数通常只有2-3左右，因此这类接收机通常只有很小的频率覆盖能力，难于实现宽带和超宽带接收，LC选频回路稳定性不好，容易差产生频偏，使接收机稳定性难于保证。此外，普及型接收机在功能上很单一，只满足收听广播的需求，没有提供实验接口，存在不能与实验设备配接的问题，使得信号采集与处理都成为难题。因此这类接收机难于在实验中使用。
[0005]2、现代新型的数码接收机，采用数字处理技术具有功能强大、技术指标高的特点，但是在多制式、高分辨、单元模块化、实验设备配接方面却难于满足教学要求。现代新型的数码接收机采用高集成电路实现，尽管技术指标高，但是不能将接收机各个处理阶段的信号提供出来给教学使用，由于集成度太高，没有预留教学可用的接口，因此难于配接实验设备，诸如配接计算机、示波器、投影展台、逻辑分析仪等就很困难。此外，在频率分辨力方面现代数码接收机也不能满足教学要求。现代数码接收机主要针对广播信号接收，它的设计按照广播频率标准，分辨精度通常不超过ΙΚΗζ，而教学中需要研宄频偏影响、带宽影响等，频率精度通常要求到IHz级别，在精细频率分辨方面难于满足教学要求。再有，在多种通信制式方面，现代数码接收机主要针对AM、FM广播信号，对数字调制的通信信号如FSK、ASK、PSK信号等通常不能处理。所有这些因素都限制了这类接收机在教学中的应用。
[0006]3、现有接收机的设计主要从正确接收信号的角度去设计接收机，没有考虑参数改变带来的影响，以及非正确设计带来的影响，即便接收机处理功能强大、具有多种接口能力，但对实验教学支持作用也不够全面。接收机中有很多设计指标相互矛盾、相互制约，技术设计是一个矛盾与统一的问题。实际的接收机只能按照某个标准下的最优设计，但实验教学接收机需要通过改变参数、改变标准、改变信号等，来研宄这些改变带来的影响，这是现有接收机基本不具备的。这些矛盾设计比较典型的关系有:中频频率、接收频率、本振频率之间选取关系；AGC时间常数与信号增益控制关系；灵敏度与带宽关系；灵敏度与动态范围关系等。常规接收机按某一规则设计，并按成品率要求把接收机电路参数固定在正常范围内，因此这些接收机都不能用于研宄电路参数改变带来的影响，更不能演示错误设计造成的后果和影响，这是很大的不足。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于提供一种能满足现代无线通信实验教学的无线接收机，实现无线接收机的超宽带和多制式接收、任意中频输出和超精细频率分辨等功能。可以支持开展各种复杂的接收机设计实验。
[0008]本实用新型的具体方案是:一种教学用无线接收装置，包括射频前端电路，射频前端电路为:天线、LNA、第一混频器、第一 AGC、第二混频器和第二 AGC依次连接，所述第一混频器的输入端还连接有第一本振；所述第二混频器的输入端还连接有第二本振；
[0009]所述第一本振为:DDS、第一 PLL、第一选择器和第二选择器依次连接，所述第一选择器的输出端还与第三混频器、LPF以及第二选择器的输入端依次相连，还设置有第二PLL，所述第二 PLL连接到第三混频器的输入端；所述第二选择器的输出端即为第一本振的输出端；
[0010]所述第二本振为第三PLL ;
[0011]所述第一混频器、第二混频器和第三混频器为全差分混频器，所述第一 AGC和第二 AGC为全差分AGC。
[0012]作为改进，还设置有第三AGC，所述第三AGC的输入端连接到第二选择器的输出端，第三AGC的输出端连接到第一混频器的输入端，所述第三AGC为全差分AGC。
[0013]作为改进，还设置有解调处理电路，所述解调处理电路包括FPGA，所述FPGA输入端与第一 AD、第一 AMP和射频前端电路输出端依次连接，FPGA输出端与第一 DA、第三AMP和输出设备依次相连；所述第一 AMP和第三AMP为全差分AMP。
[0014]作为改进，所述解调处理电路还设置有另一条信息接收单元，具体为FPGA的输入端与第二 AD、第二 AMP和射频前端电路输出端依次连接，所述第二 AMP为全差分AMP。
[0015]作为改进，所述解调处理电路还设置有另一条信号输出单元，具体为FPGA的输出端与第二 DA、第四AMP和输出设备依次连接，所述第四AMP为全差分AMP。
[0016]本实用新型的有益效果是:采用DDS与PLL混合电路，实现了超宽带和高频率分辨力控制。射频信号通路均采用了全差分结构，使接收机的信噪比极大提升，保证了接收机在数字与模拟混合设计系统中具有高性能指标的要求。所设计的第二本振为可变频率方式，使中频输出可以任意调整，能适应不同处理系统的要求。第一 AGC与第二 AGC电路是一种参数可变的电路，能适应研宄电路参数改变对AGC电路的影响。第一本振源设置了第三AGC回路，第三AGC改进了本振信号随输出频率增高而幅度减少的不平衡性，使本振对混频器增益影响降低，提升了接收机对高频段信号的接收性能。
[0017]英语简写解释:
[0018]LNA-低噪声放大器；PLL-锁相环；DDS_直接数字频率合成器；MCU_微控制器；IXD-液晶显示器；LPF-低通滤波器；FPGA-现场可编程逻辑器件；AD_模拟数字转换器；DA-数字模拟转换器；AMP-放大器；USB-与计算机相连的USB通信端口 ；AGC_自动增益控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型教学用无线接收装置射频前端电路结构示意图。
[0020]图2为本实用新型在增加第三AGC后的射频前端电路结构示意图。
[0021]图3为本实用新型中第一 AGC具体电路图。
[0022]图4为本实用新型教学用无线接收装置的解调处理电路结构示意图。
[0023]图5为本实用新型中第二 AGC的具体电路图。
[0024]在图1中:虚线框所示部分为第一本振。MCU所连接的虚线表示MCU对其所连接的设备进行控制。
【具体实施方式】
[0025]本实用新型的突出特点是射频信号通路采用了全差分电路结构。全差分电路结构一般运用在低频电路中，在高频电路中较少。本无线接收装置为满足实验教学的需要，考虑到实际实验时需要连接各种实验设备，为避免这些设备的接入对射频接收电路带来的共模干扰，因此采用了全差分结构电路，实验表明这一设计带来了诸多有益的效果。
[0026]如图1所示，在本实用新型无线接收装置射频前端电路中，天线接收到的信号经低噪声放大器LNA进行放大，放大后的信号输出给混频器I。常规设计中，此LNA放大器是无线接收装置第一级，其选型非常重要，需要选择噪音系数小于ldB，工作带宽大于600MHz，增益10?20dB的宽带放大器，此放大器除了起放大作用外，还可以阻止本振信号串入到天线，以免引起本振信号反向辐射到空中，干扰其它接收机工作。一个无线接收装置，如果把前端增益设计的很高，接收小信号固然有利，但容易产生大信号阻塞，结果是降低了动态范围，如果前端设计的增益很小又不能起到检测小信号的作用，这是一个典型的矛盾设计。LNA的噪声系数对系统灵敏度也有直接的影响，本实用新型采用模块化结构，这里的LNA可以更换选择，因此还能开展灵敏度与动态范围相关实验的研宄。
[0027]如图1中虚线框所示，第一本振电路主要起到产生超宽带本振信号的作用，即是产生第一本振信号。为实现超宽带信号的产生，本实用新型中采用了 2个频段合成的办法，高频段采用PLLl倍频DDS信号；低频段使用锁相环PLL2与PLLl混频。设定PLL2为280MHz固定，PLLl工作频率为280MHz以上，当这两个锁相环输出信号相混频时，就能产生频率为0-280MHZ的信号，然后利用一个低通滤波器完成对高频谐波的滤除。
[0028]PLLl产生的信号由选择器I分路输出，该选择器由单片机MCU控制。选择器的作用是对锁相环PLLl产生的差分信号进行切换，实现信号分路控制，相当于一个双刀双掷开关。选择器2的作用也相当于一个双刀双掷开关，即对2路输入信号进行合成切换输出。这样的电路结构设计可以精确地匹配线路的阻抗，确保射频信号的传输质量。当输出频率为280MHz以上时，选择器1、选择器2输出PLLl的信号，此时，第一本振电路就可以输出280MHz~500MHz的信号，实现了高频段信号的输出；当输出频率为0~280MHz时，选择器I接收PLLl的信号由下方端口输出，实现与PLL2，即是第二本振信号的混频，混频产生0~280MHz的信号，混频的上边带信号被低通滤波器LPF滤除。因此该设计可以得到一个非常宽广的频率输出。但是，输出频率范围较宽时，输出的信号幅度也会不同，从而导致混频器I电路的转换增益发生改变，一般情况下是本振信号越强，转换增益越高。
[0029]如图2所示，本装置中还设置了 AGC3回路，用AGC3稳定输出幅度，使输出信号的幅度不随频率改变。DDS是输出频率分辨率很高的器件，用于激励PLLlJi PLLl输出信号的频率分辨率很高，在本实用新型中PLLl输出信号的频率分辨率可到IHz以下。MCU为辅助控制单元，实现对指定频率的接收和指定中频的输出控制。
[0030]第一本振信号与LNA输出的信号在混频器I中进行混频产生第一中频信号。混频器I电路采用全差分结构，使用MOS开关阵，能实现较高的转换增益和较低的混频谐波。在整个射频前端电路中，差分结构极大地提高了共模抑制比，使本接收机系统保持了较高的信噪比。
[0031]混频器I输出的中频由AGCl放大器进行放大，在AGCl中，设计了一种变参数控制回路，如图3所示。图中AGCl设计有选择开关SI和S2，这些开关可以组合控制AGC控制环路的时间参数，SI与S2组合可以选择不同容量大小的电容和电阻接入回路，使运算放大器U9及外围元件所构成的积分滤波器时间参数发生改变。U8是一个功率检测电路，实现对输出信号的大小检测。主放大器U2是可变增益的放大器，U3是固定增益放大器。参考电压由电位器R43产生，改变R43的输出电压，就能改变参考引起输出信号大小。由于AGCl放大器是一个闭环控制电路，因此环路的时间参数会影响信号。幅度调制信号(例如AM信号)经AGCl放大器放大后，如果选择时间参数太小，即AGCl反馈太快，将导致幅度调制被削平，产生反调幅失真；如果选择时间参数过大，信号强度起伏变化时环路反馈太慢，起不到自动控制的目的。此外选择时间参数不当时还会引起AGCl反馈振荡。这里的设计可以研宄信号与电路参数设计之间的矛盾。
[0032]由第一中频放大器输出的信号，再经混频器2获得第二中频信号，第二中频可以改变输出频率。第二中频相对于第一中频信号来说，其频率更低。第一中频信号固定，第二中频可变，这样就可以演示超外差式接收机中很重要的本振频率、接收频率、中频之间的选择关系，这些频率不是任意选择的，选择不当就会造成干扰。例如欲接收信号的频率为IMHz?30MHz，如果第一中频选择20MHz，无论如何选择本振频率都会出现镜像干扰，因此需要选择一个较高的中频，例如本振信号频率为70MHz时就可以避免这个问题。但是第一中频过高，会给解调系统带来很大压力，此时需要解调系统有很高的处理能力，因此第二混频电路可以将它再次降低，使简化设计。第二中频为可变频率，从而能简化解调系统复杂度，可以做到最佳的数字化采样。这是因为数字系统在处理不同频率信号时需要满足采样原理的一系列条件，由于数字系统的时钟是固定的，在某些频率上，处理速度与欲处理频率将不匹配，就会导致需要做插值处理才能使运算进行下去，使数字运算变得复杂，此外还会带来滤波、数控振荡器频率选择等一系列问题，使运算复杂度增加。本实用新型由于第二中频是可变的，这个设计总是可以使解调设备的处理速度得到匹配，因此数字解调设备中的滤波、正交乘法运算、抽取等复杂处理都可得到最佳的简化，从而达到降低成本、降低设备要求的目的。
[0033]如图5所示，AGC2是一个可变增益放大系统，与AGCl不同之处是采用了数字方案，AGCl是一个模拟方案。图5中，U5为数控AGC2放大器，U7为固定增益放大器，U13是功率检测器，Ull为数字控制器，S3为控制拨码开关，选择不同的组合可以改变系统参数，演示不同控制效果。数字化AGC2可以方便地实现PID控制，这是模拟系统所难以实现的。此部分设计与常规接收机的设计有较大的不同，AGC2可以用PI控制、H)控制以及PID控制，且参数可变。这里的AGC2控制也可以是开环的，增益可以固定在某个值上。
[0034]如图4所示，在解调处理电路中，采用FPGA进行解调，使用了高速数字解调。射频前端电路输出的中频信号经过高速AD转换后采样成数字离散信号，在FPGA内实现解调，解调后信号经DA转换成模拟信号输出，或者经过USB接口输出给计算机或其它设备。FPGA输入端与ADUAMP1和射频前端电路输出端依次连接，FPGA输出端与DA1、AMP3和输出设备依次相连;AMP1和AMP3为全差分AMP。
[0035]解调处理电路还设置有另一条信息接收单元，具体为FPGA的输入端与AD2、AMP2和射频前端电路输出端依次连接，AMP2为全差分AMP。解调处理电路还设置有另一条信号输出单元，具体为FPGA的输出端与DA2、AMP4和输出设备依次连接，AMP4为全差分AMP。
[0036]无线接收装置射频前端电路设置有MCU，MCU分别连接到第一本振中的DDS、选择器1、选择器2和第二本振的PLL3，用于对此4个器件的控制。
[0037]在上述结构中，每个处理单元上都设置有信号输出端，用于连接示波器、逻辑分析仪、和频谱仪等设备。
【权利要求】
1.一种教学用无线接收装置，包括射频前端电路，其特征在于:射频前端电路为:天线、LNA、第一混频器、第一 AGC、第二混频器和第二 AGC依次连接，所述第一混频器的输入端还连接有第一本振；所述第二混频器的输入端还连接有第二本振； 所述第一本振为:DDS、第一 PLL、第一选择器和第二选择器依次连接，所述第一选择器的输出端还与第三混频器、LPF以及第二选择器的输入端依次相连，还设置有第二 PLL，所述第二 PLL连接到第三混频器的输入端；所述第二选择器的输出端即为第一本振的输出端; 所述第二本振为第三PLL ; 所述第一混频器、第二混频器和第三混频器为全差分混频器，所述第一 AGC和第二 AGC为全差分AGC。
2.如权利要求1所述的一种教学用无线接收装置，其特征在于，还设置有第三AGC，所述第三AGC的输入端连接到第二选择器的输出端，第三AGC的输出端连接到第一混频器的输入端，所述第三AGC为全差分AGC。
3.如权利要求1或2所述的一种教学用无线接收装置，其特征在于，还设置有解调处理电路，所述解调处理电路包括FPGA，所述FPGA输入端与第一 AD、第一 AMP和射频前端电路输出端依次连接，FPGA输出端与第一 DA、第三AMP和输出设备依次相连；所述第一 AMP和第三AMP为全差分AMP。
4.如权利要求3所述的一种教学用无线接收装置，其特征在于，所述解调处理电路还设置有另一条信息接收单元，具体为FPGA的输入端与第二 AD、第二 AMP和射频前端电路输出端依次连接，所述第二 AMP为全差分AMP。
5.如权利要求4所述的一种教学用无线接收装置，其特征在于，所述解调处理电路还设置有另一条信号输出单元，具体为FPGA的输出端与第二 DA、第四AMP和输出设备依次连接，所述第四AMP为全差分AMP。
【文档编号】H04B1/16GK204216888SQ201420719277
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】麦文, 仰石, 王力豪 申请人:四川师范大学