UHF頻段無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機前端設計

摘要：為了提高現代工廠(chǎng)設備的調度效率，降低儀器儀表等測控數據的傳輸成本，壓縮設備體積等。利用收發(fā)芯片TH7122和分離器件相結合的方式設計了一款通信頻段為438～470 MHz的無(wú)線(xiàn)音／數兩用小型收發(fā)信機。數字調制方式采用MSK調制，同時(shí)可切換到音頻模式。其中接收機采用超外差一次變頻結構，結合PIN管帶通調頻濾波器和外接LNA，用于鏡像抑制和降低噪聲。發(fā)射部分采用晶振拉動(dòng)的方式間接調制VCO輸出，經(jīng)過(guò)芯片內部放大、外接功率驅動(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(guò)仿真實(shí)驗，輸出功率5W，中頻10.7 MHz，接收靈敏度為-110 dB，鏡像抑制40 dB，均達到設計要求。
關(guān)鍵詞：UHF頻段；收發(fā)信機；低澡聲放大器(LNA)；T／R開(kāi)關(guān)

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，在現代測控技術(shù)中越來(lái)越多地采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)傳輸各種測控儀表數據?，F代化智能工廠(chǎng)的各種大型設備中均有大量的測控數據需要及時(shí)與總控設備交換信息，以保證各項生產(chǎn)安全、有效地運行。無(wú)線(xiàn)傳輸具有架設容易、組網(wǎng)方便靈活、成本低廉等顯著(zhù)優(yōu)勢，已成為此種應用的首選方案。而UHF頻段具有通信視距遠、傳播路徑干擾少等特點(diǎn)，同時(shí)具有大量無(wú)需登記就可使用的ISM頻段，從而在民用低成本無(wú)線(xiàn)通訊中具有廣泛的應用。本文正是基于這些優(yōu)勢在438～470 MHz頻段設計了一款音／數兩用收發(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(mǎn)足工廠(chǎng)各項測控數據和命令的音／數信號傳輸，提高了工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率和現代化程度。

1 收發(fā)機原理系統設計
無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機中接收機大體上可分為超外差結構、零中頻結構和數字中頻接收機等，如圖1所示。其中超外差結構是指將接收到的射頻信號于本地振蕩器產(chǎn)生的信號進(jìn)行混頻，然后利用濾波器取出兩者的差值作為中頻信號，可根據系統的需要進(jìn)行一次或多次混頻?；祛l的次數和中頻信號的選取要結合中頻濾波器的設計和鏡像抑制、信號帶寬、噪聲等綜合考量設計。

發(fā)射部分由于數字的MSK調制也是在音頻范圍內實(shí)現，所以采用音頻信號通過(guò)調制鎖相環(huán)的參考晶體振蕩器的外接變容二極管電容來(lái)實(shí)現，通過(guò)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)現調制功能。
數字調制部分采用了MSK方式進(jìn)行調制，MSK調制稱(chēng)為最小頻移鍵控，是一種特殊形式的FSK調制，其頻差是滿(mǎn)足兩個(gè)頻率相互正交的最小頻差，并要求FSK信號的相位連續。其頻差△f=f2-f1。由于要傳輸的測控數據速率較低，MSK調制直接采用芯片MX469實(shí)現。選用1 200 Hz和1 800 Hz組合作為MSK調制的2個(gè)輸出信號。
為達到設計的小型化和低成本，設計中采用市場(chǎng)上成熟的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片結合外部電路實(shí)現。收發(fā)芯片采用TH7122，它具有一次變頻和內置鎖相環(huán)，同時(shí)集成1個(gè)低噪聲放大器和解調單元，可通過(guò)向內部寄存器寫(xiě)入數據改變鎖相環(huán)的輸出頻率，滿(mǎn)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，這就造成鏡像信號難以抑制。為此設計中采用加入PIN電調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，噪聲計算公式為：

由此可知若第一級增益較大則級聯(lián)系統噪聲主要由第一級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。因此前述的在內部LNA前加入PIN濾波器和諧波濾波器惡化了系統噪聲，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NF，信號調制類(lèi)型的調制特性函數KM等有如下關(guān)系：

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