引言

超外差發(fā)射接收機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可在比較低的中頻頻段實(shí)現(xiàn)相對(duì)帶寬比較窄而矩形系數(shù)較高的中頻濾波器， 此類中頻濾波器可以提高接收機(jī)的選擇性， 而且可以從中頻級(jí)獲得較大的增益，從而降低射頻級(jí)實(shí)現(xiàn)高增益的難度。當(dāng)射頻信號(hào)頻率上升到微波甚至毫米波時(shí)， 即可采用二次變頻方法， 以進(jìn)一步降低濾波器的實(shí)現(xiàn)難度， 保證接收機(jī)的選擇性。在該VHF發(fā)射接收機(jī)中， 信號(hào)的頻率在160 MHz附近， 而帶寬僅為15 kHz， 這樣， 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波， 如果不采用二次變頻， 則相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)將變得非常復(fù)雜。

但是， 超外差式電路常常會(huì)出現(xiàn)鏡像頻率干擾。如果鏡像頻率位于輸入回路的通頻帶內(nèi)， 通過外差的變頻就會(huì)把鏡像信號(hào)以及附近的電臺(tái)信號(hào)搬移到中頻帶內(nèi)， 從而對(duì)接收信號(hào)形成干擾。

為了抑制鏡像干擾， 設(shè)計(jì)時(shí)可選161.975 MHz（261.975 MHz和100 MHz） 的差頻作為CH87B信道發(fā)射信號(hào)的載波。同時(shí)選取162.025 MHz（262.025 MHz和100 MHz的差頻） 作為CH88B信道發(fā)射信號(hào)的載波。本文的發(fā)射機(jī)電路就包含了幾乎所有射頻通信設(shè)備常用的電路和射頻通信系統(tǒng)解決方案， 也可用來(lái)構(gòu)建無(wú)線射頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 發(fā)射機(jī)簡(jiǎn)介

發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中， 發(fā)射機(jī)的工作頻率為156.025～162.025 MHz。系統(tǒng)主要分為基帶調(diào)制、調(diào)制發(fā)射、鎖相等三部分。其中調(diào)制發(fā)射部分只有一個(gè)通道， 可通行156.025～162.025 MHz信號(hào)， 發(fā)射由單片機(jī)控制間斷發(fā)射，發(fā)射周期受時(shí)間、地點(diǎn)、通信距離等因素的影響， 大概在3~10 s左右。根據(jù)接收要求， 發(fā)射機(jī)采用TDMA方式， 可在不同的時(shí)隙發(fā)射不同頻率的信號(hào)， 通常切換發(fā)射信道的時(shí)間間隔小于25ms， 具體規(guī)格見表1所列。

表1 發(fā)射機(jī)的基本參數(shù)指標(biāo)

圖1 發(fā)射機(jī)鏈路結(jié)構(gòu)。

2 發(fā)射模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 頻偏控制電路

圖2所示是該發(fā)射機(jī)的頻偏控制和繼電器選擇電路。其中GMSK信號(hào)可分兩路經(jīng)過運(yùn)算放大器U13A 和U13B， 圖中的VR501～VR504 為電位器， 調(diào)節(jié)電位器可改變運(yùn)放對(duì)GMSK的放大倍數(shù)，并可改變調(diào)制信號(hào)的幅度， 從而改變VCO的調(diào)制頻偏的大小。經(jīng)兩路運(yùn)放的SWITCH1、SWITCH2信號(hào)可由單片機(jī)控制繼電器并選擇其中一路。

圖2 頻偏控制和繼電器選擇電路。

2.2 調(diào)頻壓控振蕩器設(shè)計(jì)

圖3所示是本系統(tǒng)的調(diào)頻壓控振蕩器電路。

圖3 調(diào)頻壓控振蕩器電路。

該VCO電路屬于直接調(diào)頻電路， MODULE （U32）為基帶的GMSK信號(hào)， 該信號(hào)可控制變?nèi)?a target="_blank">二極管D1， 以使D1的容值隨信號(hào)的幅度發(fā)生變化。因此， VCO的輸出頻率受基帶GMSK信號(hào)的控制，則VCO的頻率輸出端Fin （U32） 的信號(hào)（262.025MHz或261.975 MHz） 包含基帶GMSK信號(hào)的信息，也就是說， 該信號(hào)就是調(diào)頻信號(hào)?；鶐У腉MSK信號(hào)可控制D1， 從而改變VCO的發(fā)射頻率的頻偏。VFDC （U32） 是鎖相環(huán)的控制電壓輸入端，PLL通過該控制電壓可控制VCO， 以使其工作在設(shè)定的中心頻率上。LG （2SC2712） 部分可構(gòu)成有源電源濾波器， 通過該濾波器可有效地濾除幾十KHz以下的信號(hào)成分（特別低）， 這樣， 在穩(wěn)壓器與VCO之間接入有源電源濾波器， 電路就能可靠工作。K52 （2SK508） 為VCO的振蕩管， 該管子與電容C54 （5.1pF）、C57 （5.1pF） 以及幾個(gè)變?nèi)莨芸山M成克拉波振蕩器。R25 （2SC3356） 作為輸出緩沖器， 可防止克拉波振蕩器受到下一級(jí)低輸入阻抗的影響。在VCO中， 通常兩個(gè)變?nèi)荻O管需要背對(duì)背接在一起， 當(dāng)其中一個(gè)二極管導(dǎo)通交流時(shí)， 偏壓電位被嵌位在低電平， 而此時(shí)另一個(gè)二極管就被反向偏置， 這樣可以減少失真成分。但這樣也會(huì)使變?nèi)荻O管的電容減少一半。

為了提高VCO的Q值， 電感L2應(yīng)采用漆包線繞制而成（線徑為0.4 mm， 內(nèi)徑為2.3 mm， 繞制3圈），采用線繞電感的另一個(gè)作用是比較方便調(diào)試。如果PLL沒有鎖定， 也可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)松線圈， 直到PLL鎖定為止。該VCO的增益約為15 MHz/V， 而且隨著控制電壓的增加， 其輸出頻率也增加， 因而是一個(gè)線性遞增的過程。

2.3 發(fā)射鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的發(fā)射鎖相環(huán)電路如圖4所示。圖中， LMX1501鎖相環(huán)是控制調(diào)頻VCO的?；鶐盘?hào)（經(jīng)過HDLC打包的GMSK調(diào)制信號(hào)） 經(jīng)過VCO的頻率調(diào)制后， 將由鎖相環(huán)鎖定在262.025 MHz以及261.975 MHz上， 頻偏≤5 kHz。鎖相環(huán)的參考頻率采用的溫補(bǔ)晶振（TCXO） 為NDK公司的FUA3177A， 參考頻率為12.8 MHz， 頻率穩(wěn)定度為2.5 ppm， 該TCXO有VC功能， 它是保證移動(dòng)終端與基站信號(hào)頻率相同的要求而進(jìn)行頻率自調(diào)整的一種功能， 也就是說， VC是鎖相環(huán)電路可使本機(jī)振蕩頻率和基站頻率達(dá)到頻率鎖定狀態(tài)的頻率調(diào)整功能， 一般情況下， CDMA移動(dòng)終端對(duì)VC-TCXO的VC頻率調(diào)整功能要求頻率變化范圍在±8～±16 PPM， VC電壓變化范圍1.5±1 V。Fin（U32） 是VCO的輸出頻率， VFDC （U32） 是PLL輸出的控制VCO的鎖定電壓， 當(dāng)VCO被鎖定時(shí)， 該電壓介于0 V和Vp （電荷泵電路的電源） 之間。PLL的電壓Vcc要比電荷泵的電壓Vp低（輸入到VCO的DC控制電壓總是比Vp小零點(diǎn)幾伏， 所以Vp必須有一個(gè)足以驅(qū)動(dòng)VCO的DC控制端的合適的幅度）。PLLC、PLLD、PLLE1501是從單片機(jī)送過來(lái)的控制鎖相環(huán)的信號(hào)。

圖4 發(fā)射鎖相環(huán)電路

2.4 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)

調(diào)制信號(hào)Fin （U32） （262 MHz） 與本振Fin（U29） （100 MHz） 經(jīng)過LC帶通濾波器后再混頻，即可得到發(fā)射信號(hào)， 發(fā)射信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)R25放大以及MMIC電路緩沖放大后， 再送到功率集成放大電路M57719的輸入端， 即可將功率放大到12.5W后由天線發(fā)射出去。圖5所示是發(fā)射混頻及放大電路。

圖5 發(fā)射混頻及放大電路

圖6所示是其微波集成預(yù)放大電路， 圖中的IC2的增益可達(dá)15 db， 且耐高溫， 其輸入、輸出阻抗均為50Ω。該電路的典型應(yīng)用頻率為500MHz， 為NPN型電路， 電路引腳均由微帶線構(gòu)成，兩個(gè)長(zhǎng)短不一的引腳分別對(duì)應(yīng)輸入和輸出引腳。

圖6 預(yù)放大及功放電路芯片正常工作時(shí)， 輸入端的導(dǎo)通電壓約0.58 V，輸出端則需加14 V直流電壓。其余兩端等長(zhǎng)且都接地。IC2在正常工作時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生很高的溫度， 且長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)使芯片功能下降， 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)擊穿內(nèi)部電路的PN結(jié)而損壞芯片， 以上現(xiàn)象均在實(shí)驗(yàn)過程中有所出現(xiàn)， IC2的通斷由TDD時(shí)隙決定， 故可以起到保護(hù)作用。

圖6電路中的M57719為一集成大功率功放，其頻率范圍為145~175 MHz， 最大輸出功率可達(dá)14 W， 輸入、輸出阻抗均為50Ω。信號(hào)由1腳輸入， 4腳輸出， 2， 3腳分別為兩級(jí)放大器的供電端。M57719對(duì)輸入信號(hào)的功率有一定的要求，即要求前級(jí)預(yù)放相對(duì)于本振信號(hào)增益為20 dB時(shí)才能滿足輸出功率的要求， 此時(shí)功放的輸入電平約為10 dbm或者更高， 實(shí)驗(yàn)過程中可達(dá)16 dbm，否則運(yùn)放將不工作。還應(yīng)注意： 電臺(tái)工作時(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射， 否則會(huì)損壞預(yù)放電路和功放模塊。

圖6 預(yù)放大及功放電路

M57719的兩級(jí)放大器均為14 V直流供電， 第二級(jí)放大器直接由直流供電（3腳）， 第一級(jí)放大器的供電電壓由功放控制電路控制， 天線檢測(cè)電壓信號(hào)V1與單片機(jī)控制的基準(zhǔn)電壓V2分別連接到運(yùn)放的反相和同相輸入端， 經(jīng)過運(yùn)放的輸出電壓Vo=2 （V2—V1）， Vo經(jīng)過電阻分壓后可以給開關(guān)管V36基極提供導(dǎo)通電壓。無(wú)發(fā)射時(shí)， V1很小，此時(shí)開關(guān)管V36導(dǎo)通， BAQL管導(dǎo)通且集電極輸出約14 V電壓給M57719的2腳、IC2的輸出端提供直流工作電壓； 而發(fā)射時(shí)， 則可檢測(cè)到V1突然變得很大， 此時(shí)， V0分壓后的電壓小于V36的導(dǎo)通電壓， V36由導(dǎo)通變?yōu)椴粚?dǎo)通， M57719、IC2斷電不工作， 發(fā)射機(jī)停止發(fā)射。

通過M57719將電路信號(hào)放大到12.5 W并從4腳輸出， 然后經(jīng)過耦合電容和開關(guān)二極管D1后，可傳送到天線濾波器發(fā)送出去。天線濾波器是一個(gè)低通濾波器， 可用ADS2004設(shè)計(jì)。該低通濾波器為接收和發(fā)射共用部分， 其轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率為167MHz。兩個(gè)二極管D1和D2的作用是在發(fā)射時(shí)加上電壓并對(duì)高頻信號(hào)短路， 從而使發(fā)射的大功率信號(hào)能通過D1進(jìn)入低通濾波器并發(fā)射出去， 同時(shí)使D2導(dǎo)通， 以保護(hù)接收電路。接收時(shí)， 由于沒有直流電壓， D1不導(dǎo)通（類似開路）， 以使接收信號(hào)無(wú)衰減地進(jìn)入高通濾波器。從ADS仿真效果來(lái)看， 天線濾波器的發(fā)射頻點(diǎn)162.025 MHz 以及161.975 MHz幾乎處在smith原圖的圓心， 其帶內(nèi)插損（S21） 小于05 dB。

3 結(jié)束語(yǔ)

本發(fā)射機(jī)通過與基帶以及接收機(jī)的聯(lián)調(diào)表明， 其接收誤碼率可達(dá)到0.05%， 故可用于工業(yè)控制領(lǐng)域， 實(shí)現(xiàn)小區(qū)的數(shù)傳通信。

本系統(tǒng)可以通過串口終端向基帶板傳輸數(shù)據(jù)， 而接收機(jī)則可接收回來(lái)的數(shù)據(jù)解調(diào)情況， 以分別為基帶板傳送電臺(tái)信號(hào)、接收解調(diào)信號(hào)， 以及接收回來(lái)的數(shù)據(jù)。