1.1 现代无线电的系统原理

射频通信接收机的前端由许多子系统级联以实现若干目的。滤波器和匹配网络提供了频率选择性以消除干扰信号，放大器通过提高接收信号幅度和需要发射的信号功率来“管理”噪声电平，混频器和振荡器将调制信息从一个频率变换到另一个频率。使用接收机的主要目的是把叠加到射频或载波上的信号转换到较低频率上，以便将其直接送到扬声器或进一步数字化处理。在蜂窝通信系统中，该低频信号通常被称为基带信号，其带宽从30kHz到5MHz的范围内变化，而载波频率可以在500MHz到2GHz的范围内选择。发射机则将基带信号叠加或调制到一个RF载波上，以便更容易地将其辐射到自由空间，并使其易于从一个天线（发射）传播到另一个天线（接收）。

1.1.1 基本组成原理

尽管实际的无线系统可能存在许多差异，但大多数系统的射频级有高度的共性。图1.1a和b分别给出了典型无线电发射机与接收机的功能框图。

输入到无线发射机的原始内容可能会是语音、视频、数据或者其他信息（现代通信中，这些内容已经被数字化），它们将通过发射机传输到一个或多个远距离的接收机中。这些数据通常被称为基带信号。发射机的基本功能是调制或编码，即将基带信息加载到能够通过发射天线辐射出去的高频正弦载波上。究其原因是，与直接辐射基带信号相比，更高频率上的信号能够更有效地辐射以及更能有效地使用射频频谱。图1.1a所示的发射机首先使用基带数据去调制中频正弦波信号。正如我们将要讨论的那样，这里有很多可能的调制方法，其包括模拟和数字调制，并可以通过改变正弦波的幅度、频率以及相位来实现调制功能。调制器的输出被称为中频（IF）信号，通常其频率范围在10MHz到100MHz高中频之间。然后中频信号再通过混频器往上搬移（或上变频）到所需的射频发射频率。输入的中频信号与本振（LO）频率在混频器内实现频谱搬移，从而得到它们的和、差频率。经混频器后的带通滤波器（BPF）允许上混的载波信号通过，而抑制掉镜像频率。如信号功率小，则可用。功率放大器可用于增加发射机的输出功率。最后，天线将已调制的载波信号从发射机变换到能够在自由空间传播的电磁波。

图1.1b所示的接收机将恢复经发射的基带数据，这个过程基本上是发射机元器件功能的逆过程。天线将在相对宽的频率范围内接收到来自很多辐射源的电磁波。天线后面的带通滤波器将利用滤掉不需要的接收信号并让所需频段的信号通过的方式来提供一定的频率选择性。紧随滤波器之后的低噪声放大器（LNA），其主要功能是放大可能接收到的微弱信号，并使进入到接收信号中的噪声影响最小化。在LNA之前放置了一个带通滤波器，其主要目的是减少高功率干扰信号对灵敏放大器造成过载的可能性。接下来，利用混频器将接收到的射频信号下变频到较低的频率，再一次称为中频（IF）。当LO频率被设置到输入射频频率的附近时，来自混频器的输出差频将相对较低（典型值低于100MHz），并能够容易地利用中频带通滤波器进行过滤。高增益中频放大器将提升信号的功率电平，以便于基带数据恢复。恢复基带信号的过程称为解调，今天通常利用数字信号处理（DSP）电路来实现。正如我们将要讨论的那样，这种类型的接收机被称为超外差接收机，因为在最终的解调之前，它利用频率变换将相对较高的射频载波频率变换成相对较低的中频频率。

1.1.2 射频信号与调制技术

射频通信信号的设计需要在有效利用电磁频谱与所需射频硬件的复杂性和性能之间进行综合考虑。转换基带（或低频）信息到射频的过程被称为调制，这其中有两个类型：模拟和数字调制。在模拟调制中，模拟信号是连续变化的，用经典的调幅、调频和调相对RF信号实现调制；而在数字调制中，则利用现代数字调制技术，如BPSK、QPSK、GMSK、COFDM等。在实际工程应用中，仅有部分调制方案能够达到频谱效率和硬件易用性的最佳折中。

在射频通信中要传送的信号必须经过调制，其原因是：

1）在无线系统中，只有当天线尺寸与波长可比拟时，才能有效地辐射射频功率。

2）在有线系统中，同轴线可对高频信号提供有效的屏蔽，以使信号不致泄漏。

3）对于无线频谱的使用，国际上有严格的管理和分配，在频谱拥挤的条件下，高载频可提供较大的通信容量。

4）调制解调技术可以提供有效的方法来克服高频无线信道缺陷。

常用的调制方案包括以下内容。

1）模拟调制

·调幅（AM）

·调频（FM）

·相位调制（PM）

2）数字调制

·频移键控（FSK）

·相移键控（PSK）

·最小频移键控（MSK和FSK中的一种形式）

·采用高斯滤波数据的最小频移键控（GMSK）

·二进制频移键控（BFSK）

·二进制相移键控（BPSK）

·正交相移键控（QPSK）

·编码正交频分多路（COFDM）

频率调制与相位调制统称为角度调制，它应用于模拟蜂窝无线电。调幅、调频以及调相三种调制技术是模拟无线电的基础，而其他调制原理则用于数字无线电，包括数字蜂窝无线电。GMSK是用于全球移动通信系统（GSM）的蜂窝系统，它也是FSK的一种调制形式，并能产生一个恒定的振幅调制信号。在FM、FSK、GMSK以及PM技术中产生恒定的射频包络，这样，在已调信号的振幅中没有包含任何信息。因此，引入到系统幅度中的误差就变得不那么重要了。所以，可以使用诸如C类高效率、饱和工作模式的放大器，以延长电池寿命。总之，在射频信号设计的复杂度、调制类型的选择以及电源效率之间需要折中考虑，以便获得高效、合理的无线系统设计方案。

常规窄带无线电系统的调制类型是基于缓慢改变载波的幅度和相位，以达到修正其物理特性的目的。常用模拟调制的波形和频谱如图1.2所示。图1.2的左侧是时域信号，它包括基带、载波以及已调信号的时域波形，而图1.2的右侧则是其对应的频谱。幅度调制是利用基带信号f（t）（低频）去缓慢改变载波（高频）的幅度，以使载波的包络按基带信号的幅度变化，其已调波形及其频谱如图1.2c所示。幅度调制属于频谱的线性变换。如前所述，频率调制和相位调制的基本原理是相同的，即角频率与相位的变化都会引起载波的相位角变化，因此这两种调制方式统称为角度调制，其基本特点是让载波的瞬时频率或瞬时相位与调制信号f（t）呈线性关系，而载波的振幅不变。角度调制具有比振幅调制更强的抗干扰能力。因此，调频被广泛地应用于卫星电视广播、调频广播、通信及遥控等，而调相主要应用于数字通信系统中的移相键控和间接调频。

数字调制首先应用于无线电报信号的发送，载波通过开关或键控产生载波信号的脉冲。这种调制现在被称为幅移键控（ASK），但今天已很少使用这种调制方法。图1.3给出了几种数字调制形式。数字调制的基本特征是离散状态，每一个状态定义一种符号，而一个符号又描述一个或多个比特。在图1.3中，只有两种状态来描述1比特两个值中的一种（即0或1）。利用多个状态可以描述比特组。已经成功证明过的数字调制形式有很多，其中一些常用的类型接下来将会简单介绍。在现代通信原理中，能够恢复原始载波是很重要的，因此，为了拓展时间周期，载波幅度不应该太小，这正如图1.3c中阐述的ASK原理。