UHF頻段無(wú)線收發(fā)信機(jī)前端設(shè)計(jì)

　　本文在438～470 MHz頻段設(shè)計(jì)了一款音/數(shù)兩用收發(fā)信機(jī)，可組網(wǎng)使用，其發(fā)射功率最大可達(dá)5 W，通信視距達(dá)公里以上，可完全滿足工廠各項(xiàng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)和命令的音/數(shù)信號(hào)傳輸，提高了工廠的生產(chǎn)效率和現(xiàn)代化程度。

　　1 收發(fā)機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　無(wú)線收發(fā)信機(jī)中接收機(jī)大體上可分為超外差結(jié)構(gòu)、零中頻結(jié)構(gòu)和數(shù)字中頻接收機(jī)等，如圖1所示。其中超外差結(jié)構(gòu)是指將接收到的射頻信號(hào)于本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻，然后利用濾波器取出兩者的差值作為中頻信號(hào)，可根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行一次或多次混頻。混頻的次數(shù)和中頻信號(hào)的選取要結(jié)合中頻濾波器的設(shè)計(jì)和鏡像抑制、信號(hào)帶寬、噪聲等綜合考量設(shè)計(jì)。

?

　　發(fā)射部分由于數(shù)字的MSK調(diào)制也是在音頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，所以采用音頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制鎖相環(huán)的參考晶體振蕩器的外接變?nèi)?a target="_blank">二極管電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)電容的改變拉動(dòng)鎖相環(huán)參考頻率的改變，從而間接控制VCO的輸出改變，實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。

　　數(shù)字調(diào)制部分采用了MSK方式進(jìn)行調(diào)制，MSK調(diào)制稱為最小頻移鍵控，是一種特殊形式的FSK調(diào)制，其頻差是滿足兩個(gè)頻率相互正交的最小頻差，并要求 FSK信號(hào)的相位連續(xù)。其頻差△f=f2-f1。由于要傳輸?shù)臏y(cè)控?cái)?shù)據(jù)速率較低，MSK調(diào)制直接采用芯片MX469實(shí)現(xiàn)。選用1 200 Hz和1 800 Hz組合作為MSK調(diào)制的2個(gè)輸出信號(hào)。

　　為達(dá)到設(shè)計(jì)的小型化和低成本，設(shè)計(jì)中采用市場(chǎng)上成熟的無(wú)線收發(fā)芯片結(jié)合外部電路實(shí)現(xiàn)。收發(fā)芯片采用TH7122，它具有一次變頻和內(nèi)置鎖相環(huán)，同時(shí)集成1個(gè)低噪聲放大器和解調(diào)單元，可通過(guò)向內(nèi)部寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)改變鎖相環(huán)的輸出頻率，滿足接收時(shí)混頻本振源和發(fā)射時(shí)載波的產(chǎn)生。

　　由于芯片只能進(jìn)行一次混頻，中頻為了易于選擇通用器件定為10.7 MHz，這就造成鏡像信號(hào)難以抑制。為此設(shè)計(jì)中采用加入PIN電調(diào)濾波器抑制鏡像信號(hào)和對(duì)信道預(yù)選。對(duì)于二端口級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，噪聲計(jì)算公式為：

?

　　由此可知若第一級(jí)增益較大則級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲主要由第一級(jí)LNA的噪聲決定。對(duì)于濾波器等損耗性電路，其損耗就噪聲系數(shù)。因此前述的在內(nèi)部LNA前加入PIN 濾波器和諧波濾波器惡化了系統(tǒng)噪聲，在濾波器之前加入一級(jí)外接LNA，使其有高增益和低噪聲，這樣系統(tǒng)噪聲就主要有外部LNA和諧波濾波器損耗決定。

　　接收靈敏度是收發(fā)機(jī)的一項(xiàng)主要指標(biāo)，它與信道帶寬B，噪聲系數(shù)NF，信號(hào)調(diào)制類型的調(diào)制特性函數(shù)KM等有如下關(guān)系：

?

　　當(dāng)信道帶寬為30 kHz，模擬調(diào)制所需信納比KM為10 dB，NF為5 dB時(shí)，計(jì)算得到靈敏度為-112 dB。理論值高于要求的靈敏度指標(biāo)。

　　2 部分外部電路設(shè)計(jì)

　　2.1 T/R開(kāi)關(guān)部分設(shè)計(jì)

　　PIN管被用作開(kāi)關(guān)時(shí)，與機(jī)電耦合開(kāi)關(guān)相比具有較高的可靠性，良好的機(jī)械強(qiáng)度和開(kāi)關(guān)速度。經(jīng)典的PIN開(kāi)關(guān)由一個(gè)和發(fā)射端串聯(lián)PIN管，與另一個(gè)和接收端并聯(lián)PIN管經(jīng)1/4波長(zhǎng)線與天線相連組成。具體如仿真圖2所示。當(dāng)處于發(fā)射態(tài)時(shí)，2個(gè)PIN管都加入正向偏壓，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)相當(dāng)于小電阻的串聯(lián)PIN管進(jìn)入天線，而并聯(lián)PIN管對(duì)地也呈現(xiàn)一個(gè)小電阻，短路了接收的天線信號(hào)，避免引起接收過(guò)載。發(fā)射通路的插損和接收通路的隔離度主要由PIN管的正向?qū)娮铔Q定。如1Ω的正向電阻在10%帶寬內(nèi)可獲得超過(guò)30 dB的隔離度和小于0.2 dB的插損。

?

　　接收狀態(tài)時(shí)，PIN管加零或負(fù)偏壓。這時(shí)PIN管等效為一個(gè)小電容Ct，使天線和接收機(jī)之間僅有很小的插損。但在發(fā)射機(jī)和天線之間由于PIN串聯(lián)，Ct等效為高阻抗，產(chǎn)生高的隔離度。

　　T/R開(kāi)關(guān)所能承受的最大功率Pd，與PIN管的額定功率P1，正向?qū)娮鑂，以及天線端的駐波S關(guān)系如下：

?

　　由于發(fā)射功率最大為5 W，依據(jù)公式經(jīng)過(guò)反復(fù)選擇，選用SKYWORKS公司的SMP1322-11系列，具有導(dǎo)通電阻小，截止電容小等特點(diǎn)，導(dǎo)通電流為10 mA時(shí)，最大R為0.5 Ω。在Zo為50 Ω的系統(tǒng)中即使天線完全失配，Pd為6.25 W，大于5 W，保證開(kāi)關(guān)不會(huì)燒毀。

　　經(jīng)過(guò)在ADS中仿真優(yōu)化，確定開(kāi)關(guān)電壓為5 V，電流為100 mA。當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，通路插損為0.3 dB，另兩路隔離度為25 dB以上，發(fā)射端失配，天線和接收端駐波在1.3以下。

　　接收狀態(tài)時(shí)，通路插損也為0.3 dB，隔離度為25 dB 。除發(fā)射端失配外，天線和接收端駐波小于1.3，滿足了系統(tǒng)要求。圖3為ADS仿真結(jié)果，實(shí)際調(diào)試結(jié)果與仿真較吻合。

?