【摘要】在工业设计与管理领域，需要将主机的指令发送到各分机，并能够实时收到分機的情况反馈和问题反映。在物理空间距离较远时，搭建有线收发信机难度较大，而无线收发信机被广泛应用。基于UHF频段的无线收发信机具有抗干扰能力强、收发一体、点对点传送等优点，因此被广泛应用于工业设计与管理领域。本文从简要论述UHF频段无线收发信机概况入手，着重分析了实现该收发信机的关键技术，最后详细阐述了射频前端设计方法与流程。

【关键词】无线；收发信机；UHF；射频前端

中图分类号：TN929                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.07.008

利用微波技术进行数据传输，具有传输无延迟、携带能量大、硬件实现较为简单等优点，其中UHF频段和VHF频段在实际中应用最为广泛。将UHF频段无线传输技术应用于收发信机的设计实现中，对于工业远程控制和测量场合的遥测、遥感及遥控具有非常重要的作用。

本文按照从理论到实际的思路，分别对UHF、无线收发信机、无线通信、保密通信、射频前端芯片等相关概念和关键技术分别做了深入阐述，从硬件实现、软件实现、测试维护三个层面论述了UHF频段无线收发信机设计实现流程及方法。

1. UHF频段无线收发信机概述

1.1 UHF概述

UHF是特高频无线电波的缩写，是频率为300MHz～3000MHz，波长在1m～1dm的无线电波，属于微波的一种。微波是无线电波的一种，是波长较短而频率较高的部分，根据波长与频率的不同，微波划分为不同的频段，除了波长为分米级的特高频（UHL），还有波长为厘米级的超高频（SHL）、毫米级的极高频（EHL）、丝米级的至高频（THL）。因为波长是1分米到1米之间，因此UHL也被称为分米波。

UHL被广泛应用于广播电视节目传播、移动电话通信、业务无线电、军用航空无线手机，非高功率无线对讲机等领域。UHL具有较低的功率输出，具备大型波束缚，有利于实现全球范围的联网使用。UHL具有较强的信号穿透性，在城市中能够不受高楼大厦林立的影响，并可广泛运用于等高线密集区域、恶劣天下条件、茂密的原始森林等处，UHL终端较轻便于携带，便于单人手持式使用。

1.2 收发信机概述

收发信机是指收信和发射两部分都装置在一个机箱或机架上的通信设备，适用于移动电台。业余无线电通信缩语XCVR，发射功率较小，适用于移动电台。有线收发信机是使用光缆连接线、双绞线等形式将发送端与接收端进行相连，是传统的使用方式。无线收发信机是使用电磁波的形式传递信息，通过无线网络形式进行发送端与接收端的互联互通，其中使用微波进行无线连接并收发信息是最常用的形式。

1.3 UHF频段无线收发信机的特点

UHF频段无线收发信机融合了微波通信特别是UHF频段通信和无线通信领域的所有优势，并将发信机与收信机融合为一体，具有模块集成度高、相关基础理论较为成熟、芯片可选择度高、发射功率大、接收灵敏度高、功耗较小、便于运输和转移等优势。

2. UHF频段无线收发信机关键技术分析

UHF频段无线收发信机的设计需要运用多种技术，融合通信学、密码学、计算机学等多学科领域知识和技术。

2.1 无线通信技术分析

无线通信是和有线通信相对而言的，是指不适用导线或线缆架设通信线路，而是利用电磁波、无线电等进行的距离不一的通信技术，如人们常用的短距离无线通信技术Wi-Fi就是根据IEEE公布的802.11标准制定的。本文使用的是微波无线通信技术，利用其中的UHF频段在发送者和接收者中建立双向的无线通道，使得发信与收信融为一体，能够实时进行信息、数据等的发送与接收。

2.2 保密通信技术分析

保密通信技术，是发送者将通信载体及其数据进行加密传送，接收者接收涉密数据后，按照一定的密钥进行解密得出正确信息的技术。常用的保密通信技术有密码技术、数字水印技术、混沌通信技术和量子通信技术。

本文使用基于ASCII码的数字水印图像生成技术，将要传送的信息无论哪种语言，事先翻译成英语，每个单词之间确保只有一个空格，整个文本有起始标志和结束标志，将每个字母、空格、数字、特殊符号、起止标志等转换成对应的ASCII码。由于ASCII码的范围在0到127之间，每个码值转换成8位的二进制数，设置密钥k，代表数字水印图像生成时取用二进制数组的起始位置。事先设定数字水印图像宽度和高度相等，均为w，根据与要传输数据容量的对应关系，使w是刚好能够容纳传输数据的最小值。按照从左至右从上至下的顺序，根据二进制数组循环取出其中的二进制数据，转换成二进制图像的像素，从而生成二值数字水印图像。对于图像没有涵盖到传输数据信息的部分，可以使用全部设置为0或者1，或者使用间隔设置固定像素的方式，从而增加密钥复杂度。接收者接收到二进制数字水印图像后，必须知道密钥K才能按照上述过程的逆操作进行解密，得出要传送的原始数据。

2.3 射频前端芯片技术分析

芯片技术被广泛应用于射频前端的设计中去，通过将众多细分功能集中在集成电路中，减少占用的空间和重量，提升用户使用体验度。与日常广泛接触的处理器芯片不同，不是通过逐步将制程缩小化实现产品技术的更新换代，而是通过新材料、新设计、新工艺的结合进行技术升级。具体到本文，在射频前端所使用的芯片应该集成从寄存器读取数据、将接收数据保存到寄存器、将模拟信号转变为数字信号、信号扩大、将数字信号转变为模拟信号等功能。通过不同的开关组合，实现不同细分领域作用的排列组合，满足多种设计编程需要。

3. UHF频段无线收发信机射频前端的设计实现

射频前端的设计实现，主要包括发信机与收信机部分的设计实现，并通过一定形式将它们联系成一个有机的整体。

3.1 UHF频段无线收发信机射频前端的整体构造

前端电路主要包括发信机（发射机）、收信机（接收机）、天线和馈线以及一些辅助或支持电路等。由于前端电路一般工作于射频（高频），因此，前端电路通常称为射频前端或射频收发器（收发信机）。

发信机将调制后的信号变换到频率较高的载波上，使所传送信号的时域或频域的特性更好地满足信道的要求，与信道特性相匹配。

接收机将动态范围很宽的射频信号由高频变换到适宜处理的低频。接收机接收到的是高频、小信号、大动态范围和低信噪比的信号，因此，接收机通常采用高精度的滤波器、低噪声放大器和混频器等模拟电路。

本文设计实现的一种UHF频段无线收发信机整体构造如图1所示。图中标注的前端电路及也被人们称为射电频段，是UHL无线收发机中电路最为复杂，功能最为齐全的部位，是决定整个收发信机设计是否成功的最关键因素。

3.2 UHF频段无线收发信机射频前端发信机的设计实现

发信机的主要作用是将模拟信号转换为数字信号、向上变频、信息预处理、发送信息等。其中将模拟信号转变为数字信号的过程又称为调制，调制与上变频密切相关，如果能够在一个电路内部完成，则称其为直接变换，如果需要在两个电路里完成，则称之为量此变换结构。

直接变换结构就是调制和上变频在一个电路里完成（通常在射频上），实现比较简单，但发射后的强信号会泄露或反射回来影响本地振荡或载波的稳定。两次变换结构将调制和上变频（或倍频）分开进行，可避免这一缺点。

发信机的种类最多，但一般以调制方式作为分类依据，如AM发信机、FM发信机、单边带（SSB）发信机等。发信机的调制可以采用基带调制、中频调制、射频直接调制等，目前中频调制用得较多。上变频也可以采用一次变频或二次变频等。不论调制方式如何，但其组成基本相同，成链状结构。其特点是调制在中频上实现，具有较好的调制特性与设备兼容性。本文设计的发信机结构如图2所示。

3.3 UHF频段无线收发信机射频前端接收机的设计实现

接收机要完成的功能有将数字信号转变为模拟信号，尽量去除信道中的噪声，提升信噪比，并将传递过来的信号按照实际需求扩大，将接收的信息保存到寄存器上，并对发送者发送反馈信息。使用保密通信技术的收信机，还需要同步接收密钥数据或者矩阵。接收機要正确提取出发送者发送的信息加密之前的内容，并能够恢复成原始数据加密之前的内容，保持大小、格式及顺序完全不变。

接收机的结构主要有超外差式（Super Heterodyne）、镜频抑制式、直接变换式（Direct Conversion）或零中频式（Zero IF）和数字中频式（Digital IF）等几种，长期以来，超外差式接收机都是接收系统的主流方式，广泛应用于不同领域和场合之中。本文即使用超外差方式设计接收机，其具体组成如图3所示。

3.4 UHF频段无线收发信机的实验仿真

将该UHF频段无线收发信机当成嵌入式软件系统的设计实现过程，因此利用软件工程思想对其进行模拟你仿真测试。设置1台无线收发信机为主服务器，5台为客户端，在主服务器与客户端之间分别建立双向的UHF频段无线通信信道。利用黑盒测试理论，只考察通信正确率、发送接收时间、单位时间传递信息容量等，而对内部具体如何实现调制解调、信息加载、加密解密等过程不予考虑。由于本系统的实现利用了基于ASCII码的数字水印图像生成技术，实现了信息的加密传输，加密解密过程自然计算在发送接收过程中。测试标的为10组，每组为1000到10000个汉字字符，按照1000的等差递进。每组中有20个不同内容的具体文档信息组成，尽可能多地含有一些特殊字符、数学公式、物理化学符号等，尽量保证测试覆盖内容的广泛性。使用主服务器将所有数据发送到5台客户端，并从客户端再将所有原始数据发送回来，计算同一过程的平均数据。经过测试，每组在传送正确率，使用时间，单位时间传送容量等方面的平均表现如表1所示。其中传递正确率是在所有密钥均正确的情况下的正确率。

从仿真数据可知，该UHF频段无线收发信机能够完全实现正确传输与接收，能够基本满足实时传输接收要求，并且随着单次传输容量的增大，传输速度不断增快，每秒传输容量不断增加，表明适宜大容量信息的单次发送与接收。该UHF频段无线收发信机的传输速率还需要进一步提升，方能适应军事、航天、交通等对实时性要求特别高的领域。另外，如何增加仿真测试标的，增加图像、文件、视频、压缩包等的发送接收模拟仿真，应成为下步工作重点。但整体来看，该UHF频段无线收发信机实现了预期目的，能够满足一般领域应用需求，具备良好的应用前景。

4. 结束语

本文设计实现了一种基于UHF频段的无线收发信机，详细论述了其射频前段实现的关键原理与具体流程。经过测试，本收发信机网络连接稳定、传递信息真实无误、实时性高、抗干扰能力强、保密性能好，能够满足短距离点对点传输需要。在下步的研究工作中，要着重从提升实时传送容量、增强传输距离、拓展传输方式等领域进行深入研究，并增强该无线收发信机的传播速度和单位时间传播量，不断提升该收发信机的功能质效和使用范围。

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作者简介：张燕翔，湖南湘潭，工程师，研究方向：射频微波信道.