基于電臺(tái)接收模塊的設(shè)計(jì)

0 引言

數(shù)傳通信在水、電、氣、油、燈等市政工程和工業(yè)領(lǐng)域的無線監(jiān)控系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用，其核心部分就是數(shù)傳電臺(tái)。數(shù)傳電臺(tái)性能的優(yōu)劣直接影響到監(jiān)控系統(tǒng)的通信質(zhì)量，因而是監(jiān)控終端中的關(guān)鍵設(shè)備，也是典型的數(shù)字通信射頻無線收發(fā)設(shè)備，它比最為常見的對(duì)講機(jī)多了數(shù)字通信接口。其內(nèi)部電路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，因此，數(shù)傳電臺(tái)常用來構(gòu)建無線射頻監(jiān)控系統(tǒng)。在通信系統(tǒng)中，最難設(shè)計(jì)的部分是接收機(jī)。因?yàn)榻邮諜C(jī)必須具備低噪聲系數(shù)、小的群時(shí)延變化、小的互調(diào)失真(IMD)、大的頻率動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定的自動(dòng)增益控制(AGC)、適當(dāng)?shù)纳漕l(RF)和中頻(IF)增益、好的頻率穩(wěn)定度、滿意的增益穩(wěn)定度(特指多路信道)、低相位噪聲、可以忽略的帶內(nèi)干擾、足夠的可選擇性、適當(dāng)?shù)恼`比特率等特點(diǎn)。同時(shí)，可能還要受費(fèi)用的約束。

1 接收機(jī)方案

一般來說，接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案主要包括超外差接收機(jī)方案、直接下變頻方案和數(shù)字零中頻方案。超外差接收機(jī)方案具有實(shí)現(xiàn)容易、穩(wěn)定度高和干擾少等的優(yōu)點(diǎn)，在較低的固定中頻上比較容易實(shí)現(xiàn)解調(diào)，缺點(diǎn)是組合頻率干擾較為嚴(yán)重；直接下變頻方案不存在鏡像干擾，缺點(diǎn)是有本振泄漏、噪聲性能較差和產(chǎn)生直流偏置；數(shù)字零中頻方案在設(shè)計(jì)中將數(shù)字化的過程提到了系統(tǒng)的中頻部分，故可使信噪比(SNR)得到改善，提高了可靠性，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本較高?？紤]到本數(shù)傳電臺(tái)主要工作于野外環(huán)境，要求抗干擾、抗噪聲能力強(qiáng)，還要做到小型化和低成本，因此，選擇超外差接收機(jī)方案最為適合。

超外差接收機(jī)在處理信號(hào)過程中一般都使用中頻，因此也稱為中頻接收機(jī)。它具有成熟的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐背景，并已獲得廣泛的應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)在第一代蜂窩移動(dòng)電話、模擬FM對(duì)講機(jī)以及FM收音機(jī)中比較常見。在通常的應(yīng)用中，第一中頻有10．7 MHz、21．4 MHz和45 MHz等，第二中頻是455 kHz 。然而，該結(jié)構(gòu)需要使用高階帶通濾波器，以用于抑制鏡像信號(hào)和實(shí)現(xiàn)信號(hào)原則，因此難以集成。

2 調(diào)頻接收機(jī)的組成

圖1所示是典型的超外差接收機(jī)的基本機(jī)構(gòu)，即調(diào)頻接收機(jī)的組成框圖。當(dāng)天線接收到高頻信號(hào)并經(jīng)輸入調(diào)諧回路后，經(jīng)過射頻放大級(jí)放大，便可進(jìn)入混頻級(jí)。此時(shí)本機(jī)振蕩器輸出的另一高頻信號(hào)亦進(jìn)入混頻級(jí)，而混頻級(jí)的輸出則是含有和頻、差頻等頻率分量的信號(hào)?；祛l級(jí)的輸出經(jīng)調(diào)諧回路選出中頻信號(hào)，再經(jīng)中頻放大器放大，以獲得足夠高的增益，然后經(jīng)TA31136二次混頻后，并經(jīng)鑒頻器解調(diào)出低頻信號(hào)，最后由低頻功放級(jí)放大。由于天線接收到的高頻信號(hào)經(jīng)過混頻后，將成為固定的中頻再加以放大，因此，該接收機(jī)的靈敏度較高。

本接收機(jī)采用超外差接收方式，并使用兩次下變頻，第一中頻是21．4 MHz，第二中頻是455kHz。它的接收頻道為162．025 MHz，信號(hào)帶寬為25 kHz，解調(diào)方式采用FSK方式，靈敏度為-110dBm，無線阻抗為50 Ω。

3 TA31166中頻解調(diào)芯片

本接收模塊中比較關(guān)鍵的是TA31136中頻解調(diào)芯片，它是第二中頻檢測(cè)器。TA31136主要用來進(jìn)行二次混頻并解調(diào)出基頻信號(hào)，然后再用運(yùn)算放大器TL062將基頻信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送到通信板處理。

3．1 TA31166的主要特性和引腳功能

TA31136是東芝公司的雙極性線性集成芯片，常用于無線電話的調(diào)頻中頻解調(diào)。該芯片采用SSOP封裝，低工作電壓。TA31136的特性如下：

◇低工作電壓：Vcc=1．8～5．5 V；

◇良好的溫度特性；

◇靈敏度高，12 dB靈敏度為11dBuV EMF(輸入50Ω)；

◇截取點(diǎn)高，96dBuV(輸入50Ω)；

◇內(nèi)置2階混頻，工作頻率為10～100 MHz；

◇內(nèi)置噪聲檢測(cè)電路；

◇具有信號(hào)強(qiáng)度指示功能。

表1所列是TA31166的引腳功能說明。

3．2 TA31166的典型應(yīng)用電路

圖2所示是TA31136的典型應(yīng)用連接圖，來自第一中頻信號(hào)(21．7 MHz)先通過晶體濾波器濾除臨近的雜波信號(hào)，再通過諧振放大器放大后經(jīng)16腳輸入并與1、2腳的本振信號(hào)(21．245 MHz)在內(nèi)部混頻，得到差頻455 kHz的二中頻，由3腳輸出再經(jīng)455 kHz陶瓷濾波器濾除無用信號(hào)，在經(jīng)5腳輸入后，通過中頻放大再到積分檢波，解調(diào)出音頻信號(hào)，并由九腳輸出。TA31136的輸出信號(hào)有反相放大輸出(7腳)、解調(diào)的AF信號(hào)輸出(9腳)、中頻放大信號(hào)輸出(11腳)等。10腳是移相網(wǎng)絡(luò)，可接一個(gè)諧振頻率為455 kHz的中周。TA31136具有高靈敏度且內(nèi)置噪聲檢測(cè)電路和RSSI (接收信號(hào)強(qiáng)度指示)功能，并可根據(jù)輸入信號(hào)電平為中頻放大器輸出直流電平。為了保證在不同大小的接收信號(hào)下，在解調(diào)前信號(hào)大小的一致，電路中還帶有自動(dòng)增益控制(AGC)電路，AGC工作時(shí)的放大倍數(shù)與RSSI成線性比例關(guān)系，因此通過校準(zhǔn)AGC的放大倍數(shù)，可以保證AGC的輸出結(jié)果，以對(duì)RSSI進(jìn)行精度校準(zhǔn)。TA31136的9腳電壓是可變，在接收通路的頻點(diǎn)時(shí)電壓為1．11 V，改變頻率，電壓會(huì)下降。

實(shí)現(xiàn)靜噪檢測(cè)時(shí)，可將TA31136輸出的音頻信號(hào)的一部分經(jīng)電阻分壓后再次進(jìn)入中頻集成電路的7、8腳，可通過芯片內(nèi)部濾波器和放大器對(duì)其噪聲分量進(jìn)行放大整流，以產(chǎn)生一個(gè)和噪聲分量相對(duì)應(yīng)的直流電壓，送到MCU的模擬端口進(jìn)行檢測(cè)。輸入的直流電壓可以和一個(gè)預(yù)先設(shè)置的電壓值進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果控制開放或關(guān)閉揚(yáng)聲器的輸出。為保證接收機(jī)在沒有輸入信號(hào)時(shí)輸出沒有噪聲，MCU再根據(jù)比較結(jié)果輸出高低電壓信號(hào)來控制31136的14腳，以實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)時(shí)靜噪的打開和關(guān)閉。14腳接收到信號(hào)時(shí)，為1．7V高電平，無信號(hào)時(shí)為0 V低電平。

4 基于TA31136的電臺(tái)接收電路

圖3所示是TA31136在本接收機(jī)中的應(yīng)用電路圖，該電路的Vcc采用5 V供電。接收信號(hào)經(jīng)過第一次變頻后變?yōu)?1．7 MHz，然后經(jīng)過兩個(gè)21．7 MHz的晶體濾波器，來增強(qiáng)對(duì)輸入信號(hào)的選擇性。T10為諧振頻率21．7 MHz的中周，與三極管Q2組成選頻放大器。VCC2為5 V，可給三極管提供偏置電壓。U3 (TA31136)將16腳輸入的21．7 MHz的信號(hào)與1腳的本振信號(hào)21．245 MHz進(jìn)行混頻，以形成二中頻455 kHz。再經(jīng)中頻放大，從455 kHz鑒頻中周出來的解調(diào)信號(hào)經(jīng)過由內(nèi)部電阻R64和外部電容C116組成的低通濾波器，濾去中頻及高次諧波后進(jìn)入低放電路。本方案在10腳和11腳出來的鑒頻部分之前用的是中周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中周線圈很難調(diào)試，后來改用村田制作所的陶瓷鑒頻器CDB450C24。因?yàn)镃DB450C24結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，頻率精確正負(fù)1％，帶寬10 kHz左右，而且不需要負(fù)載電容。

5 結(jié)束語

采用二次變頻方案，不但可以使接收機(jī)總增益分散到高頻、中頻和基帶三個(gè)放大級(jí)，而且本振信號(hào)可以和接收信號(hào)更有效的隔離。由于二次變頻比單變頻多了一次濾波，相對(duì)雜波的抗干擾性較強(qiáng)，故比單變頻有較好的抗干擾度。但是，超外差式電路也有不足之處，會(huì)出現(xiàn)鏡像頻率干擾。因?yàn)殓R像頻率如果位于輸入回路的通頻帶內(nèi)，通過外差的變頻作用就會(huì)把像頻位置以及附近的電臺(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。為了提高鏡像頻率抑制能力和靈敏度，同時(shí)使輸入回路在整個(gè)波段內(nèi)保持比較均勻的靈敏度，設(shè)計(jì)時(shí)可用陷波或吸收回路把鏡像頻率徹底抑制掉。