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

　　1 收發(fā)機原理系統(tǒng)設(shè)計

　　無線收發(fā)信機中接收機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于本地振蕩器產(chǎn)生的信號進行混頻，然后利用濾波器取出兩者的差值作為中頻信號，可根據(jù)系統(tǒng)的需要進行一次或多次混頻?；祛l的次數(shù)和中頻信號的選取要結(jié)合中頻濾波器的設(shè)計和鏡像抑制、信號帶寬、噪聲等綜合考量設(shè)計。

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

　　數(shù)字調(diào)制部分采用了MSK方式進行調(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，其頻差是滿足兩個頻率相互正交的最小頻差，并要求 FSK信號的相位連續(xù)。其頻差△f=f2-f1。由于要傳輸?shù)臏y控數(shù)據(jù)速率較低，MSK調(diào)制直接采用芯片MX469實現(xiàn)。選用1 200 Hz和1 800 Hz組合作為MSK調(diào)制的2個輸出信號。

　　為達到設(shè)計的小型化和低成本，設(shè)計中采用市場上成熟的無線收發(fā)芯片結(jié)合外部電路實現(xiàn)。收發(fā)芯片采用TH7122，它具有一次變頻和內(nèi)置鎖相環(huán)，同時集成1個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，滿足接收時混頻本振源和發(fā)射時載波的產(chǎn)生。

　　由于芯片只能進行一次混頻，中頻為了易于選擇通用器件定為10.7 MHz，這就造成鏡像信號難以抑制。為此設(shè)計中采用加入PIN電調(diào)濾波器抑制鏡像信號和對信道預選。對于二端口級聯(lián)系統(tǒng)，噪聲計算公式為：

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　　由此可知若第一級增益較大則級聯(lián)系統(tǒng)噪聲主要由第一級LNA的噪聲決定。對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)機的一項主要指標，它與信道帶寬B，噪聲系數(shù)NF，信號調(diào)制類型的調(diào)制特性函數(shù)KM等有如下關(guān)系：

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

　　2 部分外部電路設(shè)計

　　2.1 T/R開關(guān)部分設(shè)計

　　PIN管被用作開關(guān)時，與機電耦合開關(guān)相比具有較高的可靠性，良好的機械強度和開關(guān)速度。經(jīng)典的PIN開關(guān)由一個和發(fā)射端串聯(lián)PIN管，與另一個和接收端并聯(lián)PIN管經(jīng)1/4波長線與天線相連組成。具體如仿真圖2所示。當處于發(fā)射態(tài)時，2個PIN管都加入正向偏壓，發(fā)射信號經(jīng)過相當于小電阻的串聯(lián)PIN管進入天線，而并聯(lián)PIN管對地也呈現(xiàn)一個小電阻，短路了接收的天線信號，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。

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　　接收狀態(tài)時，PIN管加零或負偏壓。這時PIN管等效為一個小電容Ct，使天線和接收機之間僅有很小的插損。但在發(fā)射機和天線之間由于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：

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　　由于發(fā)射功率最大為5 W，依據(jù)公式經(jīng)過反復選擇，選用SKYWORKS公司的SMP1322-11系列，具有導通電阻小，截止電容小等特點，導通電流為10 mA時，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。當處于發(fā)射狀態(tài)時，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，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，實際調(diào)試結(jié)果與仿真較吻合。

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　　2.2 外接低噪聲放大器設(shè)計

　　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高增益、低噪聲的放大器。在對器件的選擇上，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)計放大器的第一步就是使器件在整個工作帶寬內(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：

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　　只要滿足上述條件，LNA就無條件穩(wěn)定。一般LNA不會在全頻段內(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)定措施是加入負反饋。本設(shè)計中就是通過在源級加入電感反饋使器件穩(wěn)定，偏置點的選擇采用了手冊推薦的Vds=3 V，Id=60 mA。LNA設(shè)計的要點是找到最佳噪聲點并進行匹配。對于單級LNA而言，等效為二端口網(wǎng)絡(luò)其噪聲系數(shù)可表達為：

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　　Fmin為LNA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)計時就是要將輸入端匹配至最佳噪聲點，但有時為了兼顧駐波，增益指標也要進行適當?shù)钠胶膺x擇，在寬帶設(shè)計中為了保證增益平坦度，往往還要加入負反饋等。實際設(shè)計在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，實際調(diào)試中由于匹配元件Q值，以及電路布線等原因都對噪聲產(chǎn)生巨大影響，調(diào)試結(jié)果在全頻段內(nèi)噪聲<1.1 dB。

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　　2.3 鎖相環(huán)及混頻解調(diào)部分設(shè)計

　　TH7122內(nèi)部集成一個整數(shù)分頻PLL電路，PLL電路是通過一個負反饋回路進行頻率合成，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fN與fR的相位差值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)過環(huán)路濾波控制VCO產(chǎn)生想要的頻率。本設(shè)計中參考頻率采用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。

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　　混頻部分根據(jù)芯片設(shè)定為下變頻，中頻設(shè)為10.7 MHz。為達到鏡像抑制40 dB和較好的信道選擇性，設(shè)計了一個四頻段PIN開關(guān)濾波器。該濾波器采用四級電容耦合切比雪夫方式實現(xiàn)，由PIN開關(guān)控制接入四級諧振單元的電容變換濾波器的通頻帶。每個通頻帶寬為10 MHz，帶外20 M抑制40 dB。4個通頻帶中心分別為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。信號經(jīng)過中頻濾波器后進入芯片內(nèi)部的中頻放大部分，經(jīng)放大后進入鑒頻單元，鑒頻器同樣選用村田公司的SFECF10M7HAOO，經(jīng)過鑒頻輸出后，將中頻信號轉(zhuǎn)換為音頻信號，經(jīng)過Salley-Key濾波后經(jīng)音頻放大器放大輸出。

　　發(fā)射信號的調(diào)制由于無論是語音信號還是MSK調(diào)制信號最終都是在音頻范圍內(nèi)的模擬信號，經(jīng)過實驗采用了簡單易行的模擬信號經(jīng)過Sal-ley-Key濾波后去調(diào)制PLL電路使載波產(chǎn)生偏移，實現(xiàn)調(diào)制。因為無源晶振需要外接1個負載電容接地工作，電容的變化會引起晶振工作頻率的偏移，故將晶振負載電容分為固定電容C和變?nèi)荻O管Dc串聯(lián)兩部分，模擬信號接入C與Dc之間，讓模擬電壓調(diào)制信號控制變?nèi)荻O管電容，拉動晶振工作頻率偏移，從而引起fR變化，最終間接調(diào)制fVCO，實現(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。為達到發(fā)射功率為5 W，設(shè)計中采取由BFG540W匹配設(shè)計的驅(qū)動放大器和π型衰減結(jié)合將功率驅(qū)動到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。

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　　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，對交調(diào)和動態(tài)范圍等指標要求不高。在設(shè)計中基于TH7122內(nèi)部已集成整個收發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了擴展通信帶寬，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，在繪制整個系統(tǒng)的PCB時，參考手冊的電路連接和PCB板標準，根據(jù)基板厚度和材質(zhì)計算好50 Ω微帶線的寬度，走線盡量避免回型和相互的串擾，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。