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)代測控技術(shù)中越來越多地采用無線技術(shù)來傳輸各種測控儀表數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代化智能工廠的各種大型設(shè)備中均有大量的測控?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，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)。