摘要：針對傳統(tǒng)的天線調(diào)試系統(tǒng)存在的設(shè)計煩瑣、布線復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高等問題，文章設(shè)計了一種基于微波傳輸?shù)臒o線分離式天線調(diào)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 DSP為核心處理器，實現(xiàn)了對天線信號的采集、處理、轉(zhuǎn)換和放大等功能，并可通過無線傳輸模塊實現(xiàn)與手機(jī)間通信的功能。文章所介紹的天線調(diào)試系統(tǒng)主要用于測試無線分離式天線性能及其工作環(huán)境適應(yīng)性，同時也可用于無線分離式天線性能的研究和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：微波傳輸；無線分離式天線；通信系統(tǒng)

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著無線電通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備得到了更廣泛的普及，人們對它的需求也越來越大。為了使用戶能夠快速方便地測試出所需信號，本設(shè)計將傳統(tǒng)無線調(diào)試系統(tǒng)與微波傳輸相結(jié)合，提出了一種基于微波傳輸?shù)臒o線分離式天線調(diào)試系統(tǒng)。傳統(tǒng)的調(diào)測方式會給移動終端增加額外的成本、復(fù)雜的調(diào)試步驟和調(diào)試時間。因此，如何實現(xiàn)天線信號快速的調(diào)整和恢復(fù)是一個有意義且非常實用的課題。為了實現(xiàn)分離式天線功能的調(diào)試，需要建立一個完整的、可擴(kuò)展化的調(diào)試系統(tǒng)。本文介紹了分離天線及其基本原理，建立了一套完整的測試方案，實現(xiàn)了調(diào)試系統(tǒng)的高隔離度、高增益、可擴(kuò)展化。

1 系統(tǒng)原理及組成

微波傳輸線是一種由金屬導(dǎo)體制成的傳輸線，具有體積小、重量輕、損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，能與微波信號一起傳播，而且能夠在整個頻帶內(nèi)工作。利用微波傳輸線可以實現(xiàn)從無線接收到數(shù)據(jù)的通信?？梢栽谝阎诺蕾|(zhì)量的條件下，采用遠(yuǎn)距離收發(fā)信號，不用進(jìn)行信道測試和調(diào)制解調(diào)就能對系統(tǒng)進(jìn)行操作。本設(shè)計主要包括單片機(jī)控制模塊、天線模塊以及無線傳輸模塊3部分。其中，單片機(jī)控制模塊是本系統(tǒng)的核心部分，通過 SPI接口與微帶天線的頻率信號進(jìn)行交換，將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳送到計算機(jī)；天線模塊是微波傳輸線與單片機(jī)的接口電路，將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過微帶天線發(fā)送出去；無線傳輸模塊是一個多功能的設(shè)備^［1］。

2 系統(tǒng)設(shè)計理念

2.1 天線調(diào)試系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)主要包括微帶天線、微波傳輸線和單片機(jī)，通過微波傳輸線將微帶天線與微帶天線上的貼片元件進(jìn)行連接，把貼片元件引出至微波傳輸線。采用微波傳輸線將微波信號經(jīng)前端放大后送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并利用微帶天線接收微波信號測量其參數(shù)，然后對數(shù)值進(jìn)行分析，從而確定微帶天線的方向圖和輸入阻抗。本設(shè)計將傳統(tǒng)的無線調(diào)試系統(tǒng)與微波傳輸線相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)無線調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計煩瑣、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等問題，簡化了天線調(diào)試過程，降低了成本。該系統(tǒng)具有高度的靈活性和實用性，可用于室內(nèi)室外不同場所的無線通信及移動設(shè)備測試。

2.2 基于 DSP的微波發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

射頻部分主要由信號發(fā)生器、射頻信號調(diào)制模塊、收發(fā)信機(jī)3個模塊組成。整個系統(tǒng)包括的主要模塊有A/D轉(zhuǎn)換、模擬前端和數(shù)字信號處理部分。其中，A/D轉(zhuǎn)換部分用于將射頻信號轉(zhuǎn)換成電信號格式，將電文信號經(jīng)過放大及整形后輸出；由A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信息存儲到計算機(jī)中；最后由計算機(jī)對A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；射頻前端主要用于發(fā)射和接收射頻信號；收發(fā)信機(jī)用于接收發(fā)射和接收通信，主要有兩種，一種是單片微波收發(fā)機(jī)（SSM-1100-W），另一種是多片微波收發(fā)機(jī)（SSM-1250-W）。SSM-1100-W由一個高性能可編程中頻放大器和一個中頻調(diào)制器組成，調(diào)制器中包括了數(shù)字解調(diào)器和射頻收發(fā)器，以提高系統(tǒng)的靈敏度^［2］。本系統(tǒng)的射頻發(fā)射前端電路采用 DSP作為核心處理器，將接收到的信號進(jìn)行處理并放大后通過微波耦合模塊直接輸入 FIRFET發(fā)射端。發(fā)射機(jī)由信號調(diào)理模塊、幅度均衡器和衰減器組成，其中信號幅度均衡器和衰減器分別對調(diào)制后的射頻數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正和衰減。幅度均衡器主要由放大級和衰減級組成，可實現(xiàn)兩路不同頻率的信號在同一時間內(nèi)以不同幅值輸出；衰減器主要用來減小發(fā)射機(jī)在工作時的功率損耗，提高系統(tǒng)效率。發(fā)射機(jī)的射頻模塊由 DSP核心處理器實現(xiàn)，包括發(fā)射前端、頻率自動調(diào)整和天線調(diào)諧兩部分。其中，調(diào)諧部分包括功率放大器、偏置電壓源和衰減器3個元器件，功率放大器采用雙頻單片設(shè)計，由發(fā)射機(jī)驅(qū)動電路原理圖可知其主要作用是使發(fā)射機(jī)工作在一個較高頻率的工作點上^［3］。

2.3 收發(fā)同步電路設(shè)計

收發(fā)同步電路是指接收到的數(shù)據(jù)在發(fā)送端和接收端的時間偏差，通常用Δt表示。一般接收端要比發(fā)送端提前一個比特，即一個比特為1/2，如果在此之前發(fā)送一個比特，那么這個時間差就是一個比特為1/2。本設(shè)計采用了 FIRFET接收接收器和 DSP收發(fā)器組成的雙路收發(fā)同步電路，其中D～t是接收時延值和發(fā)送時延值。當(dāng)接收數(shù)據(jù)在發(fā)送端時，接收信號中的數(shù)字信號與發(fā)射信號中的數(shù)據(jù)差被送入接收器；當(dāng)接收信號到達(dá)發(fā)射機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換點T （或A）后，由于發(fā)射機(jī)A和接收機(jī)D之間存在時間偏差，兩者的時間延遲被輸入數(shù)字控制電路中進(jìn)行積分運算后，將其轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字電壓值送入單片機(jī)TMS320F2812，該電壓值由 DSP處理器計算得到。如果發(fā)射端相位和接收端相位在同一格，那么這個差值就是發(fā)射時間間隔1/2 （Δt），1/2 （T1）或1/2 （T2），1/2 （T3）^［4］。

2.4 信號調(diào)理電路設(shè)計

本設(shè)計主要包括幅度均衡電路和衰減電路兩部分。其中，幅度均衡主要由功率放大器、衰減器組成，功率放大器可采用帶通濾波器型的放大電路來實現(xiàn)。衰減器的作用是將從發(fā)射器輸出的射頻信號經(jīng)過低通濾波器和寬帶衰減后，以達(dá)到對信號進(jìn)行抑制的目的。其中，增益控制為數(shù)字運算放大器控制的負(fù)反饋部分；幅度控制為數(shù)字運算放大器控制的正反饋部分；功率放大與解調(diào)主要由功率放大器和衰減器來實現(xiàn)，本設(shè)計采用雙穩(wěn)態(tài)功率放大器；偏置電阻用來平衡射頻信號與參考電壓之間的幅值差。本設(shè)計使用的衰減器為雙穩(wěn)態(tài)衰減器。信號調(diào)理電路設(shè)計可調(diào)阻抗匹配電路。天線信號的模擬量和數(shù)字量在傳輸過程中會產(chǎn)生大量的高頻噪聲，使得接收到信號出現(xiàn)失真，因此本系統(tǒng)對模擬量和數(shù)字量進(jìn)行了分開處理。在前端信號調(diào)理電路中，用兩個運算放大器構(gòu)成低通濾波器，濾除高頻噪聲，然后對微波頻率信號進(jìn)行低通濾波處理，將濾波后的信號通過調(diào)諧電阻 RxTx與天線接收端對應(yīng)的負(fù)載進(jìn)行匹配以達(dá)到傳輸要求。

該電路可將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號來提高系統(tǒng)信噪比。本系統(tǒng)的數(shù)字信號處理模塊包括數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和調(diào)理等部分。由于接收端需要同時接收模擬量和數(shù)字量，因此采用兩個運算放大器共同進(jìn)行調(diào)節(jié)處理。在天線調(diào)諧電阻 RxTx兩端串聯(lián)一只1/4 W低通濾波器進(jìn)行放大處理。在接收端需要對0～5 V的直流電壓進(jìn)行分壓，得到0～5 V直流電，并采用1/4 W低通濾波器進(jìn)一步將交流電隔離為0～0.5 V的交流電來減少干擾。在天線調(diào)諧電阻 RxTx兩端串聯(lián)一只1/4 W低通濾波電容 RxTx，然后將0～5 V直流電經(jīng)過1/4 W低通濾波器過濾后送至調(diào)諧電感 RC和濾波電容 LF中的兩個組合電路中做放大作用；再由濾波電容 LF為負(fù)載提供高精度電壓源來對天線調(diào)制信號進(jìn)行數(shù)字量的解調(diào)；最后由數(shù)字量調(diào)理電路輸出作為下一步微波調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)和整形處理所需波形參數(shù)的控制。在接收端需要對0～5 V的直流電（交流）信號進(jìn)行分壓后形成一個幅度為0.5 V左右的數(shù)字電信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）內(nèi)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，然后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器中經(jīng)運算放大后變?yōu)?～5 V或0.5～2.5 V的模擬電信號。

2.5 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的射頻單元設(shè)計

發(fā)射機(jī)的射頻單元設(shè)計主要是為了完成天線信號的發(fā)射和接收，包括天線信號的預(yù)處理、功率放大、A/D轉(zhuǎn)換、解調(diào)和放大等。本文主要介紹的是接收部分，接收機(jī)的關(guān)鍵部分包括A/D變換電路、解調(diào)電路、信號幅度均衡器和衰減器等。該系統(tǒng)接收到發(fā)射機(jī)或接收機(jī)發(fā)出的無線分離式天線信號，經(jīng)預(yù)處理后，再經(jīng)放大后送至 DSP進(jìn)行處理，具體如圖1所示。本設(shè)計中的接收機(jī)采用數(shù)字基帶處理器芯片DSP2401，其內(nèi)部集成了 DSP運算放大模塊和接收放大模塊。功放部分由數(shù)字濾波電路、增益調(diào)整電路和功率放大器組成。本設(shè)計中對功放的控制主要采用直接數(shù)字控制芯片AD7608和數(shù)字控制芯片DS601。其中，AD7608控制功放輸入端，DS601控制功放輸出端（輸出為負(fù)反饋信號）^［5］。

2.6 信號放大、解調(diào)部分電路設(shè)計

整個電路由D/A轉(zhuǎn)換和放大電路組成。D/A轉(zhuǎn)換部分的主要作用是將接收到的微弱信號轉(zhuǎn)化為幅度信號，并且送到數(shù)字控制芯片中。在此基礎(chǔ)上，放大部分的作用是把接收到的微弱信號放大，以便能夠?qū)崿F(xiàn)A/D變換。其工作原理為：D/A轉(zhuǎn)換部分將射頻信號送到數(shù)字控制芯片ADC0809中進(jìn)行數(shù)字控制；而在解碼時將接收到的微弱信號解調(diào)成幅度信號。該數(shù)字控制器具有自動增益控制及增益誤差補償?shù)裙δ?，具有輸出電壓和參考電壓之間的相位關(guān)系；并且具有與 DSP接口的串行輸入通道及模擬輸出通道，可以方便地把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并將其送入 DSP中運行^［6］。

2.7 測試軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分為軟件和硬件兩部分。軟件部分采用模塊化設(shè)計，分為主程序、數(shù)據(jù)處理及測試軟件3部分。主程序是整個系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)處理，包括對發(fā)射機(jī)相關(guān)參數(shù)測量與計算和對接收機(jī)信號測量、處理及數(shù)據(jù)通信等功能；調(diào)制模塊的數(shù)據(jù)處理，包括天線頻率測量、功率分配等參數(shù)計算；接收模塊的數(shù)據(jù)處理，主要是對發(fā)射系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的測量及計算，并根據(jù)測量結(jié)果分析發(fā)射系統(tǒng)中存在的問題；信號傳輸模塊的數(shù)據(jù)處理，包括接收到信號后如何提取和分析數(shù)據(jù)，并將其輸出。

2.8 硬件電路實現(xiàn)

在計算機(jī)中，要實現(xiàn)天線的信號測試和分析，需要將射頻部分與測試系統(tǒng)相連接。為此，需要把系統(tǒng)所用的射頻模塊安裝到測試設(shè)備上。射頻模塊包括電源模塊、調(diào)制解調(diào)模塊和發(fā)射機(jī)模塊以及射頻接收處理和傳輸電路。在該系統(tǒng)中，射頻天線需要放置在發(fā)射設(shè)備的前端。為了實現(xiàn)天線上電后能夠與計算機(jī)相連接，需要將計算機(jī)與發(fā)射設(shè)備相連接。將計算機(jī)通過串口或RS232接口與通信模塊相連，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教炀€上。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)具有體積小、成本低、操作簡單等特點，可用于無線分離式天線的調(diào)試，為提高無線分離式天線的工作環(huán)境適應(yīng)性提供了一種新的解決方案。在射頻部分采用了DSP處理器、高精度A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字濾波器等實現(xiàn)信號處理，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)完整性。采用C語言編寫了上位機(jī)軟件，實現(xiàn)了測試控制、信號采集與分析、數(shù)據(jù)處理以及無線傳輸?shù)裙δ?。在硬件部分采?DSP處理器為核心，設(shè)計開發(fā)了射頻模塊，同時采用高速數(shù)據(jù)采集卡將射頻信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集。系統(tǒng)采用FW8031作為微波傳輸載體，可方便地與PC機(jī)進(jìn)行通信，通過PC機(jī)實現(xiàn)對無線分離式天線的調(diào)試和控制。本系統(tǒng)

適用于各種環(huán)境下測試天線性能和數(shù)據(jù)的傳輸，對提高無線分離式天線性能有重要意義；具有開放性和可擴(kuò)展性，有較好的應(yīng)用前景和市場價值。

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

A wireless separation antenna debugging system based on microwave transmission

Sun Zhanfeng

（Hebei Branch of China Communication System Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： In order to solve the traditional antenna debugging system’s problems of complicated design， complex wiring， difficult maintenance and high cost， a wireless separated antenna debugging system based on microwave transmission was designed. The system takes DSP as the core processor， realizes the acquisition， processing， conversion and amplification of antenna signal， and can communicate with mobile phone through wireless transmission module. The antenna debugging system introduced in this paper is mainly used to test the performance of the wireless separated antenna and its adaptability to the working environment. It can also be used to study and improve the performance of the wireless separated antenna.

Key words： microwave transmission; wireless split antenna; communication system