无线收发模块的工作原理涉及信号的发射、接收和数据处理等多个过程。无线收发模块用于将数字信号转换为无线电信号发射出去，同时接收无线信号并将其转换为数字信号传递给终端设备。其基本原理可以分为以下几个核心步骤：
一、 无线收发模块工作原理介绍
1. 信号调制与发射
- 信号调制：在发送端，数据(通常是数字信号)通过调制技术转换为适合无线传输的射频信号。常见的调制方式包括 ASK（幅移键控）、FSK（频移键控）、PSK（相移键控） 和 QAM（正交幅度调制） 等。
- ASK：通过改变信号的振幅来传输数据，适合短距离传输，但易受干扰。
- FSK：通过改变信号的频率来传输数据，抗干扰能力较强，适合较长距离的传输。
- PSK：通过改变信号的相位来传输数据，传输速率较高，适合对数据速率要求高的场景。
- 射频（RF）信号生成：调制后的信号被转换为特定频率的射频信号，具体频率根据通信协议(如2.4 GHz或433 MHz)和地区法规选择。
- 功率放大与天线发射：射频信号经过功率放大器(PA)增强，增强后的信号通过天线辐射出去。天线设计要考虑频率、增益和辐射方向性，以确保信号的有效传输范围。
2. 信号传播与衰减
在无线信号的传播过程中，信号会受到自由空间衰减、多径效应、障碍物遮挡、电磁干扰等因素的影响。这些因素会导致信号在接收端的强度和质量下降。
- 多径效应：信号在遇到墙壁、地面等障碍物时会发生反射、折射或散射，接收端会接收到多个路径到达的同一信号，导致信号叠加、相互干扰。
- 信号衰减：随距离增加，信号强度会迅速衰减，且高频信号比低频信号衰减更快，因此频率选择需要平衡传输距离和信号穿透能力。
3. 信号接收与解调
- 信号接收：接收端天线从空间中接收射频信号，将其转换为电信号送入接收电路。
- 低噪声放大器（LNA）放大：由于信号在传播过程中会有衰减，接收到的信号往往很弱，低噪声放大器会对信号进行初步放大，同时尽量减少噪声的引入，以确保信号的有效恢复。
- 解调：解调是将接收到的射频信号还原为基带信号的过程。解调方式与发射端的调制方式对应，比如ASK调制的信号要用ASK解调器，FSK调制的信号用FSK解调器等。解调后得到的基带信号再被进一步转换为数字信号。
4. 基带处理与数据恢复
- 数据滤波与错误校正：解调后的信号包含噪声和可能的传输错误，因此需要进行滤波和错误校正。常用的错误校正方法包括奇偶校验、CRC校验和前向纠错码(FEC)。
- 数据帧处理：解码后，数据传输模块将接收的数据分成帧结构，按照协议(如Wi-Fi、Zigbee等)解析帧头、帧体和帧尾信息，确保数据完整性。
- 数字信号输出：经过数据处理后的信号恢复为原始的数字数据，传递到终端设备或控制器，完成无线数据的接收过程。
5. 控制与协议管理
无线收发模块通常遵循特定的通信协议，如Wi-Fi、Bluetooth、LoRa等，这些协议定义了数据的格式、传输速率、通信频率、错误检测等标准。
- 同步与握手：在通信建立时，收发双方通过同步信号和握手协议确定连接状态，确保数据的稳定传输。
- 功率控制与频率切换：为了优化功耗和通信质量，模块会根据环境条件自动调整发射功率，或在干扰较强的情况下切换工作频率(如跳频技术)。
示例：一个典型的无线收发模块工作流程
发送端：数字数据输入 -> 数据调制(例如FSK) -> 射频信号生成 -> 功率放大 -> 天线发射。
接收端：天线接收信号 -> 信号放大(LNA) -> 数据解调(FSK解调) -> 数据滤波与错误校正 -> 数字信号输出。
无线收发模块的工作原理涉及从数字信号调制、射频信号发射、信号接收、解调到数字数据恢复的全过程。通过调制解调技术、射频信号处理、噪声抑制和协议控制等手段，无线收发模块能够实现稳定、可靠的无线数据传输。这种模块广泛应用于各种无线通信系统中，例如物联网设备、无线传感器网络和智能家居系统等。
二、 无线收发模块中常见的调制方式有哪些?
无线收发模块中常见的调制方式包括幅度调制(AM)、频率调制(FM)、相位调制(PM)、正交幅度调制(QAM)、正交键控(OOK)、偏移四相相移键控(OQPSK)、高斯最小频移键控(GMSK)、高斯频率移键控(GFSK)等。
1. 幅度调制（AM）：
- 工作原理：通过改变载波信号的幅度来传输信息。例如，当信息信号为高电平时，载波信号的幅度增加;当信息信号为低电平时，载波信号的幅度减少。
- 应用场景：适用于语音通信和简单的数据传输，但其噪声免疫性较差，功率效率低。
2. 频率调制（FM）：
- 工作原理：通过改变载波信号的频率来传输信息。信息信号的变化导致载波频率的变化。
- 应用场景：广泛应用于广播和移动通信系统，因为其具有较高的噪声免疫性。
3. 相位调制（PM）：
- 工作原理：通过改变载波信号的相位来传输信息。信息信号的变化导致载波相位的变化。
- 应用场景：适用于需要高抗干扰能力的应用场景，如军事通信。
4. 正交幅度调制（QAM）：
- 工作原理：结合了幅度和相位调制的优点，通过同时改变载波信号的幅度和相位来传输信息。
- 应用场景：常用于高速数据传输，如数字电视和光纤通信，因为其具有高功率效率和良好的噪声免疫性。
5. 正交键控（OOK）：
- 工作原理：通过在两个正交的载波信号之间切换来传输信息。例如，当信息信号为高电平时，选择一个载波信号;当信息信号为低电平时，选择另一个载波信号。
- 应用场景：适用于短距离无线通信，如红外通信和无线鼠标。
6. 偏移四相相移键控（OQPSK）：
- 工作原理：一种改进的QPSK调制方式，通过在四个相位点之间进行偏移来传输信息。
- 应用场景：用于Zigbee模块等无线通信系统，提供较高的数据传输速率和较好的抗干扰能力。
7. 高斯最小频移键控（GMSK）：
- 工作原理：通过使用高斯滤波器对频移键控信号进行平滑处理，以减少带宽需求并提高抗干扰能力。
- 应用场景：广泛应用于GSM移动通信系统，因为其具有较低的带宽需求和较高的抗干扰能力。
8. 高斯频率移键控（GFSK）：
- 工作原理：通过使用高斯滤波器对频率移键控信号进行平滑处理，以减少带宽需求并提高抗干扰能力。
- 应用场景：常用于低速数据传输，如无线鼠标和键盘。
三、 中频放大电路如何提高无线收发模块的信号传输距离和质量?
设计一个高效的中频放大电路，以提高无线收发模块的信号传输距离和质量，需要综合考虑多个因素，包括电路设计、滤波器选择、增益控制以及噪声抑制等。以下是详细的设计方案：
1. 中频放大器的基本原理与设计
中频放大器(IF Amplifier)是无线通信系统中的关键组件，其主要作用是将接收到的中频信号进行放大，从而提高信号的强度和质量。超外差接收机的工作原理是通过将接收到的高频信号与本地振荡器产生的信号相减，得到一个固定频率的中频信号。
2. 滤波器的选择
在中频放大电路中，滤波器的选择至关重要。陶瓷滤波器因其优良的滤波性能和较低的插入损耗而被广泛使用。例如，在FM收音机中，通常使用10.7MHz的中频信号，并通过陶瓷滤波器进行放大。此外，四极单片晶体滤波器也可以用于滤除邻道杂波，从而提高信号的纯净度。
3. 增益控制与自动增益控制(AGC)
为了确保中频放大器在不同信号强度下都能稳定工作，可以采用自动增益控制(AGC)回路。AGC回路可以根据输入信号的强度自动调整放大器的增益，从而保持输出信号的稳定。此外，使用高动态范围的宽带放大器如ERA-8SM+，可以实现高增益、低噪声和良好的增益平坦度。
4. 电路设计与调试
在实际电路设计中，需要根据具体的系统需求选择合适的电压和电路配置。例如，在两级中频放大器中，板电压应尽量不超过50伏特，以提供足够的增益和更高的稳定性。此外，还需要注意电路的耦合和连接，确保所有股线正确焊接并形成良好连接。
5. 实验与测试
在设计完成后，需要进行详细的实验和测试，以验证电路的性能。实验步骤包括：
将各模块按图连接好并接通电源。
调整变容二极管调频器的载频和低频信号源。
设置高频功率放大与发射实验模块中的开关位置并拉好天线。
调整调谐回路谐振放大器和鉴频器的电位器。
测试各模块输入输出波形并调整可调元件以达到最佳输出状态。
6. 宽/窄转换电路设计
为了适应不同的通信需求，可以设计宽/窄转换电路。通过切换陶瓷滤波器(CF1和CF2)，可以为每个信道设置窄带和宽带。当接收到宽带数据时，Q14关闭，Q17开启;当接收到窄带数据时，Q14开启，Q17关闭。
四、 无线收发模块的接收端如何去除杂波干扰?
在无线收发模块的接收端，有效去除杂波干扰并提高信号的接收质量可以通过以下几种方法实现：
- 使用晶体滤波器：根据《THE STANDARD MANUAL OF AMATEUR RADIO COMMUNICATION》中的描述，晶体滤波器可以显著减少干扰并提高信号质量。通过将晶体滤波器的频率设置为最尖锐的位置并调整相位控制，可以实现初始的节拍振荡器调整。在正常操作中，应将晶体滤波器保持在电路中进行所有调谐，以充分利用其减少干扰的效果。
- 自适应杂波抑制（ACS）和中值滤波（MF） ：对于风廓线雷达(WPR)接收信号中的严重杂波问题，可以采用自适应杂波抑制(ACS)和中值滤波(MF)。ACS通过确定时间序列的权重来减少由声学阵列收集的数据中的杂波，而MF可以在ACS后残余杂波出现的时间限制内，拒绝包含残余杂波的多普勒谱。这种方法已被证明能够有效检测到被严重杂波掩藏的清空回波。
- 低通阻断滤波技术：在宽带接收器中，低通阻断滤波技术可以增强线性度和抑制杂散干扰的能力。这种方法通过抑制杂散干扰和提高线性度来解决信号质量问题，并提出了一种2阶段多相谐波抑制技术来改善谐波抑制比的鲁棒性。
- 自动增益控制（AGC） ：自动增益控制(AGC)根据接收信号强度对接收器的增益进行反比调节，即使在接收信号电平发生较大变化时也能保持接收器输出相对稳定。这有助于在强弱信号下都能有效补偿衰减并保持恒定的音频输出。
- 屏蔽和滤波电源线：为了避免多频信号中的“鸟鸣”和杂散信号，接收器电路中必须仔细地屏蔽和滤波电源线。这可以减少由于电源线引起的干扰。
- 使用表面声波（SAW）滤波器和低噪声放大器（LNA） ：在无线接收器中，接收天线发出的信号首先通过外置表面声波(SAW)滤波器进行滤波，然后通过低噪声放大器(LNA)，最后通过混频器将RF信号下调至中间频率(IF)或直接转换为DC进行进一步滤波。这些组件有助于选择信道并减少杂波干扰。
五、 无线收发模块数字信号处理如何实现去抖动和信号转换?
无线收发模块在数字信号处理过程中，实现去抖动和信号转换的方法主要包括以下几个步骤：
- 接收信号与传输信号混合：通过接收信号与传输信号的混合，可以减少采样需求。接收和传输信号的混合输出在低通滤波后进行采样，以确保信号的稳定性和准确性。
- 去抖动技术：去抖动技术包括使用数字锁相环(PLL)来恢复原始信号，并对指针调整引起的抖动进行抑制。具体来说，去同步单元由数字锁相环和平滑处理电路组成，用于抑制指针调整引起的抖动。此外，还可以采用微机控制的自适应比特泄漏方法来抑制抖动，这种方法通过周期性地减少指针调整的相位变化引起的幅度变化来实现。
- 信号重同步：信号重同步是数字信号传输中至关重要的步骤。通过重同步电路，信号变得稳定且无抖动，从而能够被更多设备(如处理器或控制器)传输。像素级精确重同步技术可以消除差分线对内的偏移和差分线对间的偏移，从而进一步减少信号抖动。
- 抖动消除器：抖动消除器可以将SDI信号中的抖动转换为稳定、近乎无抖动的信号。该过程通常由两个相位锁定环和一个FIFO缓冲区组成，能够有效地消除输入信号中的抖动。
- 傅里叶变换和相位乘法：在某些系统中，去抖动信号可以通过傅里叶变换(FT)、相位乘法和逆FT的方法来消除残余视频相位(RVP)，从而进一步提高信号的准确性。
- 码速调整和比特泄漏：码速调整和比特泄漏技术也被用于抑制抖动。通过锯齿波变化上、下门限，并在去同步单元中使用锁相环抑制抖动，这种方法可以在映射复用中完成。
六、不同应用场景无线收发模块的设计和优化策略有哪些?
针对不同应用场景(如物联网、远程控制等)，无线收发模块的设计和优化策略可以从以下几个方面进行探讨：
在物联网应用中，无线通信模块的选择至关重要。例如，LoRaWAN协议通信转换器可以实现多种通信协议的兼容与超远距离数据传输。这种模块能够在数据交汇点处对多个相同或不同类型的物联网通信数据进行收发，避免了部署多个不同数据收发器的复杂性和高成本。
在硬件设计方面，射频模块的典型应用电路、硬件布局注意事项和软件操作需要特别关注。例如，将DIO口连接到具有外部中断功能的MCU IO口，并确保射频出口到天线焊盘部分走线尽可能短且有50Ω阻抗。此外，还需增加π电路、留出足够的净空区域、保证大面积铺地，并远离高压电路和高频开关电路。
物联网设备通常要求低功耗设计以延长电池寿命。文献综述中提到的研究涵盖了低功耗NB-IoT收发器、超低功耗无线传感器网络接收器等主题，旨在提高物联网设备的能效和性能。例如，LoRa通信模块和Wi-Fi模块结合使用，能够实现低功耗、高数据传输效率的特点，适用于城市和郊区社区之间的有效连接。
基于深度学习的无线通信系统设计方案可以显著提升系统性能。例如，一种基于深度强化学习(DRL)的模型驱动网络框架用于解决MU-MIMO系统的信道估计问题，通过优化变量、训练参数和层结构来提高系统性能。此外，联合DNN框架用于毫米波MU-MIMO系统中收发机的设计，以最大化系统性能和速率。
双芯片设计方案将专用微控制器与无线收发器IC或SoC集成，用于特定通信。这种方法节省空间和成本，但电路设计工作量略高，需开发相应的电路板，增加产品认证难度。单芯片设计方案是最集成的方法，节省硬件成本和空间需求最小，但开发成本显著增加，需单独设计且通常是产品特定的硬件。
不同应用场景对无线通信模块的要求不同。例如，在M2M(机器间通信)应用场景下，蜂窝网模块(2G/3G/4G/5G模块)广泛应用于不同的领域。随着NB-IoT及5G技术的发展，未来低功耗LPWAN模块(LoRa/NB-IoT模块)及高速的5G模组将成为蜂窝通信模块的替代升级者并进行大规模推广。
在物联网应用中，无线通信模块的安全性和可靠性至关重要。例如，一种用于监控和存储IoT数据的低成本长距离收发器系统采用LoRa通信模块和Wi-Fi模块，能够实现安全的数据传输至接收节点，并存储在云端进行处理。
