UHF頻段無線收發(fā)信機(jī)前端設(shè)計(jì)

摘要：為了提高現(xiàn)代工廠設(shè)備的調(diào)度效率，降低儀器儀表等測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸成本，壓縮設(shè)備體積等。利用收發(fā)芯片TH7122和分離器件相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一款通信頻段為438～470 MHz的無線音／數(shù)兩用小型收發(fā)信機(jī)。數(shù)字調(diào)制方式采用MSK調(diào)制，同時(shí)可切換到音頻模式。其中接收機(jī)采用超外差一次變頻結(jié)構(gòu)，結(jié)合PIN管帶通調(diào)頻濾波器和外接LNA，用于鏡像抑制和降低噪聲。發(fā)射部分采用晶振拉動(dòng)的方式間接調(diào)制VCO輸出，經(jīng)過芯片內(nèi)部放大、外接功率驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路將發(fā)射功率增至5 W，再經(jīng)諧波濾波發(fā)射。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，輸出功率5W，中頻10.7 MHz，接收靈敏度為-110 dB，鏡像抑制40 dB，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：UHF頻段；收發(fā)信機(jī)；低澡聲放大器(LNA)；T／R開關(guān)

    隨著無線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，在現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)中越來越多地采用無線技術(shù)來傳輸各種測(cè)控儀表數(shù)據(jù)。現(xiàn)代化智能工廠的各種大型設(shè)備中均有大量的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)需要及時(shí)與總控設(shè)備交換信息，以保證各項(xiàng)生產(chǎn)安全、有效地運(yùn)行。無線傳輸具有架設(shè)容易、組網(wǎng)方便靈活、成本低廉等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為此種應(yīng)用的首選方案。而UHF頻段具有通信視距遠(yuǎn)、傳播路徑干擾少等特點(diǎn)，同時(shí)具有大量無需登記就可使用的ISM頻段，從而在民用低成本無線通訊中具有廣泛的應(yīng)用。本文正是基于這些優(yōu)勢(shì)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)通過調(diào)制鎖相環(huán)的參考晶體振蕩器的外接變?nèi)荻O管電容來實(shí)現(xiàn)，通過電容的改變拉動(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，可通過向內(nèi)部寄存器寫入數(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開關(guān)部分設(shè)計(jì)
    PIN管被用作開關(guān)時(shí)，與機(jī)電耦合開關(guān)相比具有較高的可靠性，良好的機(jī)械強(qiáng)度和開關(guān)速度。經(jīng)典的PIN開關(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，保證開關(guān)不會(huì)燒毀。
    經(jīng)過在ADS中仿真優(yōu)化，確定開關(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。

2．2 外接低噪聲放大器設(shè)計(jì)
    由前面的分析可知，要減小系統(tǒng)的噪聲就需要在濾波器前加入一級(jí)高增益、低噪聲的放大器。在對(duì)器件的選擇上，選擇了安華高的HEMT器件ATF-54143，它具有超低的噪聲系數(shù)和較高的線性增益。
    設(shè)計(jì)放大器的第一步就是使器件在整個(gè)工作帶寬內(nèi)及鄰近區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定。將放大器等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，則二端口穩(wěn)定的必要條件可表示為：
   
    只要滿足上述條件，LNA就無條件穩(wěn)定。一般LNA不會(huì)在全頻段內(nèi)都穩(wěn)定，因此需要添加外部電路使其穩(wěn)定，最常用的穩(wěn)定措施是加入負(fù)反饋。本設(shè)計(jì)中就是通過在源級(jí)加入電感反饋使器件穩(wěn)定，偏置點(diǎn)的選擇采用了手冊(cè)推薦的Vds=3 V，Id=60 mA。LNA設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是找到最佳噪聲點(diǎn)并進(jìn)行匹配。對(duì)于單級(jí)LNA而言，等效為二端口網(wǎng)絡(luò)其噪聲系數(shù)可表達(dá)為：
   
    Fmin為L(zhǎng)NA管的最小噪聲系數(shù)，Гs為源反射系數(shù)，Гopt和RN分別為最佳噪聲反射系數(shù)和等效噪聲電阻。在LNA設(shè)計(jì)時(shí)就是要將輸入端匹配至最佳噪聲點(diǎn)，但有時(shí)為了兼顧駐波，增益指標(biāo)也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠胶膺x擇，在寬帶設(shè)計(jì)中為了保證增益平坦度，往往還要加入負(fù)反饋等。實(shí)際設(shè)計(jì)在ADS中仿真如圖4所示，輸入和輸出中都是用π型匹配，仿真結(jié)果如圖5所示，增益在20 dB，噪聲<0．1 dB，實(shí)際調(diào)試中由于匹配元件Q值，以及電路布線等原因都對(duì)噪聲產(chǎn)生巨大影響，調(diào)試結(jié)果在全頻段內(nèi)噪聲<1．1 dB。

2．3 鎖相環(huán)及混頻解調(diào)部分設(shè)計(jì)
    TH7122內(nèi)部集成一個(gè)整數(shù)分頻PLL電路，PLL電路是通過一個(gè)負(fù)反饋回路進(jìn)行頻率合成，其輸出頻率fVCO是鑒相頻率fRO的整數(shù)倍N，fR由參考晶振頻率R分頻所得。鑒相器將fVCO的N分頻信號(hào)fN與fR的相位差值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)經(jīng)過環(huán)路濾波控制VCO產(chǎn)生想要的頻率。本設(shè)計(jì)中參考頻率采用10 MHz無源晶振，根據(jù)不同接收或發(fā)射頻率向N和R寄存器中寫入分頻值。
   
    混頻部分根據(jù)芯片設(shè)定為下變頻，中頻設(shè)為10．7 MHz。為達(dá)到鏡像抑制40 dB和較好的信道選擇性，設(shè)計(jì)了一個(gè)四頻段PIN開關(guān)濾波器。該濾波器采用四級(jí)電容耦合切比雪夫方式實(shí)現(xiàn)，由PIN開關(guān)控制接入四級(jí)諧振單元的電容變換濾波器的通頻帶。每個(gè)通頻帶寬為10 MHz，帶外20 M抑制40 dB。4個(gè)通頻帶中心分別為440 MHz，450 MHz，460MHz，470MHz。中頻濾波器采用村田公司的CDSCB10M7GA，中心頻率10.7 MHz。信號(hào)經(jīng)過中頻濾波器后進(jìn)入芯片內(nèi)部的中頻放大部分，經(jīng)放大后進(jìn)入鑒頻單元，鑒頻器同樣選用村田公司的SFECF10M7HAOO，經(jīng)過鑒頻輸出后，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)，經(jīng)過Salley-Key濾波后經(jīng)音頻放大器放大輸出。
    發(fā)射信號(hào)的調(diào)制由于無論是語音信號(hào)還是MSK調(diào)制信號(hào)最終都是在音頻范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)采用了簡(jiǎn)單易行的模擬信號(hào)經(jīng)過Sal-ley-Key濾波后去調(diào)制PLL電路使載波產(chǎn)生偏移，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。因?yàn)闊o源晶振需要外接1個(gè)負(fù)載電容接地工作，電容的變化會(huì)引起晶振工作頻率的偏移，故將晶振負(fù)載電容分為固定電容C和變?nèi)荻O管Dc串聯(lián)兩部分，模擬信號(hào)接入C與Dc之間，讓模擬電壓調(diào)制信號(hào)控制變?nèi)荻O管電容，拉動(dòng)晶振工作頻率偏移，從而引起fR變化，最終間接調(diào)制fVCO，實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。VCO輸出經(jīng)過芯片內(nèi)部放大器輸出5～10 mW。為達(dá)到發(fā)射功率為5 W，設(shè)計(jì)中采取由BFG540W匹配設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)放大器和π型衰減結(jié)合將功率驅(qū)動(dòng)到50mW，再經(jīng)過功率放大器RA07M4047將功率放大為5 W以上，經(jīng)過低通諧波濾波器濾除諧波后發(fā)射，圖6是總體的原理圖。

3 結(jié)束語
    由于該系統(tǒng)主要應(yīng)用于音頻及低速率MSK通信，對(duì)交調(diào)和動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)要求不高。在設(shè)計(jì)中基于TH7122內(nèi)部已集成整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了擴(kuò)展通信帶寬，提高靈敏度和鏡像抑制以及輸出功率的要求，增加了外接LNA，鏡像抑制濾波器和功率提升電路。TH7122芯片的資料可直接參考手冊(cè)，在繪制整個(gè)系統(tǒng)的PCB時(shí)，參考手冊(cè)的電路連接和PCB板標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)基板厚度和材質(zhì)計(jì)算好50 Ω微帶線的寬度，走線盡量避免回型和相互的串?dāng)_，加大接地面和上下地的穿孔連接等射頻PCB板的基本原則。經(jīng)過仿真和調(diào)試?；緷M足了系統(tǒng)需求。