全雙工無線數(shù)傳電臺(tái)方案設(shè)計(jì)
0 引言
數(shù)傳電臺(tái)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，目前仍然是工業(yè)控制領(lǐng)域的主要傳輸手段。無線數(shù)傳電臺(tái)作為一種最簡(jiǎn)捷的通信方式，其最基本的特征是通連方便、簡(jiǎn)捷。然而，目前國內(nèi)外絕大多數(shù)都是單工電臺(tái)。全雙工數(shù)傳電臺(tái)還不多見，而有些工程項(xiàng)目又確實(shí)需要全雙工的數(shù)傳電臺(tái)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為此，本文提出了一種全雙工的數(shù)傳電臺(tái)的設(shè)計(jì)思路。
1 全雙工無線數(shù)傳電臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理
本文所介紹的全雙工數(shù)傳電臺(tái)主要采用頻分雙工(FDD—Frequency Division Duplexing)工作方式。它主要由接收單元、激勵(lì)器單元、功放單元、控制單元、電源單元、基帶單元六部分組成。圖1所示是其結(jié)構(gòu)原理框圖。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)
2.1 激勵(lì)器單元
激勵(lì)器單元完成射頻信號(hào)的調(diào)制和音頻信號(hào)的處理，即把要調(diào)制的話音、數(shù)據(jù)送到VC0調(diào)制并進(jìn)行電壓放大。它由話放處理、數(shù)字鎖相環(huán)、壓控振蕩器、電壓放大器、功率調(diào)整電路、電源電路組成。圖2所示是激勵(lì)器單元的組成框圖。圖中，麥克風(fēng)送來的微弱信號(hào)首先送給話放處理電路，以進(jìn)行話音放大、濾波、預(yù)加重等信號(hào)處理，然后經(jīng)過電子開關(guān)送給壓控振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻，同時(shí)將基帶處理后的數(shù)字信號(hào)也經(jīng)過電子開關(guān)切換后送給壓控振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻。鎖相環(huán)路可選用快恢復(fù)二極管來提高鎖相環(huán)路的鎖定速度，環(huán)路濾波器可選用無源比例積分濾波器，VCO則采用模塊化設(shè)計(jì)。數(shù)字鎖相環(huán)芯片采用日本富士通的MBl504H集成電路芯片，該芯片集成化程度高、體積小，特別是其泵電源高達(dá)8 V，可相對(duì)降低VCO的壓控靈敏度。為了減小發(fā)射機(jī)在較寬溫度范圍內(nèi)的頻率變化，建議采用溫補(bǔ)晶體振蕩器作基準(zhǔn)頻率。由于VCO輸出的信號(hào)較弱，只有數(shù)個(gè)毫瓦，故可經(jīng)過功分器后，將一路送給鑒相器與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較，并產(chǎn)生誤差電壓以控制VCO的頻率至設(shè)定頻點(diǎn)，另一路送給電壓放大器，然后經(jīng)3級(jí)放大處理，使其能夠推動(dòng)功放電路工作。
考慮到一般需要外接蓄電池作為電源，激勵(lì)器電源輸入可采用7809三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，以提供較寬的電壓動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)，也可采用多級(jí)LC濾波來改善穩(wěn)壓和降噪效果。
2.2 功放單元
功放單元的主要任務(wù)是把激勵(lì)器送來的射頻信號(hào)經(jīng)功放模塊放大到44 dBm，然后經(jīng)過低通濾波器濾除高次諧波后送給雙工器，最后通過天線發(fā)射出去。如果天線出現(xiàn)開路或短路，那么功率將反射回來，此時(shí)檢測(cè)電路將進(jìn)行檢波，然后比較放大，再送一個(gè)信號(hào)給MCU，由MCU控制相關(guān)電路關(guān)斷功放，以達(dá)到保護(hù)功放模塊的目的。功放電路的組成如圖3所示。
2.3 接收機(jī)單元
接收單元可完成射頻信號(hào)的解調(diào)和音頻信號(hào)的處理。它一般由濾波器、選擇回路、高放、雙平衡混頻器、一中放、二中放組成。其中二中放由二本振、二混頻、鑒相器、靜噪控制電路組成，混頻器中的一中頻為21.4 MHz，二中頻為455 kHz，混頻方式為外差式。
當(dāng)射頻信號(hào)經(jīng)天線送到雙工器后，再經(jīng)過第一級(jí)帶通濾波器濾波，并經(jīng)限幅后將送給高放電路。然后進(jìn)入第二級(jí)帶通濾波器濾波，最后送給雙平衡混頻器混頻。限幅電路的作用是防止強(qiáng)干擾信號(hào)損壞高放前端組件。
高放電路一般采用雙調(diào)諧回路和一級(jí)放大形式，輸入輸出回路均采用抽頭形式可使電路匹配、增益兼顧。高放管可選用低噪聲管2SC3356，其特點(diǎn)是具有很低的噪聲和較高的功率增益。經(jīng)高放放大的信號(hào)再與壓控送來的第一本振信號(hào)經(jīng)過雙平衡混頻器進(jìn)行混頻。2SC3356是集成組件，特點(diǎn)是噪聲低，高次組合少。一中頻為21.4 MHz的信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)中頻放大后，可送到中放集成電路TA31136FN，與20.945 MHz晶體振蕩器產(chǎn)生的二本振進(jìn)行混頻，而混出的455 kHz二中頻信號(hào)，則經(jīng)過455 kHz陶瓷濾波器濾波后，通過二中放的5腳輸入。限幅放大器的輸出可在內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)，并在外部通過相移線圈完成鑒頻，鑒頻輸出的音頻信號(hào)由9腳輸出。該信號(hào)一路經(jīng)電子開關(guān)送給去加重、濾波、放大后送給揚(yáng)聲器還原聲音。另一路經(jīng)過濾波后送給基帶信號(hào)處理器。
接收機(jī)中的數(shù)字鎖相環(huán)可選用日本富士通公司MBl504集成電路來進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于該器件集成化程度高、體積小，串行數(shù)據(jù)接收編程簡(jiǎn)單。因此，將VCO和溫補(bǔ)晶體振蕩器送出的射頻信號(hào)耦合到MBl504H，然后經(jīng)過內(nèi)部分頻比相以得到誤差電壓，再反饋回VCO控制微調(diào)其頻率，可使其鎖定在設(shè)定的信道上。而當(dāng) VCO失鎖后，也可以由失鎖指示電路提供一個(gè)失鎖電平來點(diǎn)亮一個(gè)貼片發(fā)光二極管，給后續(xù)維修提供方便。圖4所示是接收機(jī)單元原理結(jié)構(gòu)框圖。
2.4 電源設(shè)計(jì)
通過系統(tǒng)電源可對(duì)外接直流電源進(jìn)行濾波、反極性保護(hù)等處理，然后輸出穩(wěn)定的電源電壓，同時(shí)，電源還必須進(jìn)行必要的短路和過流保護(hù)。系統(tǒng)電源可外接+12 V直流電，然后通過反極性保護(hù)電路，來防止電源接反。再經(jīng)過多級(jí)LC濾波電路來濾除各種雜波和高低頻交流干擾后，送到電源繼電器，由繼電器控制面板電源開關(guān)，來開關(guān)整機(jī)電源。其電源電路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。
2.5 控制和基帶單元
控制單元以ATMEGA64為核心來完成本機(jī)工作狀態(tài)的控制，包括收發(fā)信機(jī)的頻合數(shù)據(jù)，面板顯示器、鍵盤的控制，工作頻段控制，數(shù)傳以及話音通信狀態(tài)的控制等。
基帶單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)處理本機(jī)和計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)交換。它以DSP芯片ADSP一2185M為核心，并以單片機(jī)AT90S8515以及CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件來組成控制和接口電路。同時(shí)以數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及運(yùn)算放大器等構(gòu)成信號(hào)與電臺(tái)的接口電路。基帶單元?jiǎng)t采用DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。圖6給出了基帶單元的構(gòu)成原理框圖。
3 整機(jī)通信測(cè)試
樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后，可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，天線架設(shè)高度應(yīng)為6m，全向天線可選擇7.8dBi的高增益天線，甲、乙兩設(shè)備之間直線距離應(yīng)大于30km。設(shè)置完成后，可通過串口調(diào)試助手來收發(fā)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)通信。信道速率可選為19200 bps，每包100字節(jié)，PTT延時(shí)選擇20 ms。一般情況下，系統(tǒng)話音質(zhì)量以及丟包率應(yīng)符合表1所列的參數(shù)。
4 結(jié)束語
本文提出了一種全雙工無線數(shù)傳電臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，利用該方案設(shè)計(jì)的全雙工無線數(shù)傳電臺(tái)穩(wěn)定性好，可靠性高，而且高低溫特性良好，故障率低。只要系統(tǒng)中的電子元器件選型正確，一般均可達(dá)到一定的穩(wěn)定性，同時(shí)可靠性也很好。
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