基于電臺接收模塊的設計

0 引言

數傳通信在水、電、氣、油、燈等市政工程和工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)監控系統中具有廣泛應用，其核心部分就是數傳電臺。數傳電臺性能的優(yōu)劣直接影響到監控系統的通信質(zhì)量，因而是監控終端中的關(guān)鍵設備，也是典型的數字通信射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備，它比最為常見(jiàn)的對講機多了數字通信接口。其內部電路包含了幾乎所有射頻通信設備常用的電路和射頻通信系統解決方案，因此，數傳電臺常用來(lái)構建無(wú)線(xiàn)射頻監控系統。在通信系統中，最難設計的部分是接收機。因為接收機必須具備低噪聲系數、小的群時(shí)延變化、小的互調失真(IMD)、大的頻率動(dòng)態(tài)范圍、穩定的自動(dòng)增益控制(AGC)、適當的射頻(RF)和中頻(IF)增益、好的頻率穩定度、滿(mǎn)意的增益穩定度(特指多路信道)、低相位噪聲、可以忽略的帶內干擾、足夠的可選擇性、適當的誤比特率等特點(diǎn)。同時(shí)，可能還要受費用的約束。

1 接收機方案

一般來(lái)說(shuō)，接收機的設計方案主要包括超外差接收機方案、直接下變頻方案和數字零中頻方案。超外差接收機方案具有實(shí)現容易、穩定度高和干擾少等的優(yōu)點(diǎn)，在較低的固定中頻上比較容易實(shí)現解調，缺點(diǎn)是組合頻率干擾較為嚴重；直接下變頻方案不存在鏡像干擾，缺點(diǎn)是有本振泄漏、噪聲性能較差和產(chǎn)生直流偏置；數字零中頻方案在設計中將數字化的過(guò)程提到了系統的中頻部分，故可使信噪比(SNR)得到改善，提高了可靠性，缺點(diǎn)是系統的復雜性和成本較高?？紤]到本數傳電臺主要工作于野外環(huán)境，要求抗干擾、抗噪聲能力強，還要做到小型化和低成本，因此，選擇超外差接收機方案最為適合。

超外差接收機在處理信號過(guò)程中一般都使用中頻，因此也稱(chēng)為中頻接收機。它具有成熟的理論基礎和實(shí)踐背景，并已獲得廣泛的應用。該結構在第一代蜂窩移動(dòng)電話(huà)、模擬FM對講機以及FM收音機中比較常見(jiàn)。在通常的應用中，第一中頻有10．7 MHz、21．4 MHz和45 MHz等，第二中頻是455 kHz 。然而，該結構需要使用高階帶通濾波器，以用于抑制鏡像信號和實(shí)現信號原則，因此難以集成。

2 調頻接收機的組成

圖1所示是典型的超外差接收機的基本機構，即調頻接收機的組成框圖。當天線(xiàn)接收到高頻信號并經(jīng)輸入調諧回路后，經(jīng)過(guò)射頻放大級放大，便可進(jìn)入混頻級。此時(shí)本機振蕩器輸出的另一高頻信號亦進(jìn)入混頻級，而混頻級的輸出則是含有和頻、差頻等頻率分量的信號?；祛l級的輸出經(jīng)調諧回路選出中頻信號，再經(jīng)中頻放大器放大，以獲得足夠高的增益，然后經(jīng)TA31136二次混頻后，并經(jīng)鑒頻器解調出低頻信號，最后由低頻功放級放大。由于天線(xiàn)接收到的高頻信號經(jīng)過(guò)混頻后，將成為固定的中頻再加以放大，因此，該接收機的靈敏度較高。

本接收機采用超外差接收方式，并使用兩次下變頻，第一中頻是21．4 MHz，第二中頻是455kHz。它的接收頻道為162．025 MHz，信號帶寬為25 kHz，解調方式采用FSK方式，靈敏度為-110dBm，無(wú)線(xiàn)阻抗為50 Ω。

3 TA31166中頻解調芯片

本接收模塊中比較關(guān)鍵的是TA31136中頻解調芯片，它是第二中頻檢測器。TA31136主要用來(lái)進(jìn)行二次混頻并解調出基頻信號，然后再用運算放大器TL062將基頻信號進(jìn)行電平轉換后送到通信板處理。

3．1 TA31166的主要特性和引腳功能

TA31136是東芝公司的雙極性線(xiàn)性集成芯片，常用于無(wú)線(xiàn)電話(huà)的調頻中頻解調。該芯片采用SSOP封裝，低工作電壓。TA31136的特性如下：

◇低工作電壓：Vcc=1．8～5．5 V；

◇良好的溫度特性；

◇靈敏度高，12 dB靈敏度為11dBuV EMF(輸入50Ω)；

◇截取點(diǎn)高，96dBuV(輸入50Ω)；

◇內置2階混頻，工作頻率為10～100 MHz；

◇內置噪聲檢測電路；

◇具有信號強度指示功能。

表1所列是TA31166的引腳功能說(shuō)明。

3．2 TA31166的典型應用電路

圖2所示是TA31136的典型應用連接圖，來(lái)自第一中頻信號(21．7 MHz)先通過(guò)晶體濾波器濾除臨近的雜波信號，再通過(guò)諧振放大器放大后經(jīng)16腳輸入并與1、2腳的本振信號(21．245 MHz)在內部混頻，得到差頻455 kHz的二中頻，由3腳輸出再經(jīng)455 kHz陶瓷濾波器濾除無(wú)用信號，在經(jīng)5腳輸入后，通過(guò)中頻放大再到積分檢波，解調出音頻信號，并由九腳輸出。TA31136的輸出信號有反相放大輸出(7腳)、解調的AF信號輸出(9腳)、中頻放大信號輸出(11腳)等。10腳是移相網(wǎng)絡(luò )，可接一個(gè)諧振頻率為455 kHz的中周。TA31136具有高靈敏度且內置噪聲檢測電路和RSSI (接收信號強度指示)功能，并可根據輸入信號電平為中頻放大器輸出直流電平。為了保證在不同大小的接收信號下，在解調前信號大小的一致，電路中還帶有自動(dòng)增益控制(AGC)電路，AGC工作時(shí)的放大倍數與RSSI成線(xiàn)性比例關(guān)系，因此通過(guò)校準AGC的放大倍數，可以保證AGC的輸出結果，以對RSSI進(jìn)行精度校準。TA31136的9腳電壓是可變，在接收通路的頻點(diǎn)時(shí)電壓為1．11 V，改變頻率，電壓會(huì )下降。

實(shí)現靜噪檢測時(shí)，可將TA31136輸出的音頻信號的一部分經(jīng)電阻分壓后再次進(jìn)入中頻集成電路的7、8腳，可通過(guò)芯片內部濾波器和放大器對其噪聲分量進(jìn)行放大整流，以產(chǎn)生一個(gè)和噪聲分量相對應的直流電壓，送到MCU的模擬端口進(jìn)行檢測。輸入的直流電壓可以和一個(gè)預先設置的電壓值進(jìn)行比較，然后根據比較結果控制開(kāi)放或關(guān)閉揚聲器的輸出。為保證接收機在沒(méi)有輸入信號時(shí)輸出沒(méi)有噪聲，MCU再根據比較結果輸出高低電壓信號來(lái)控制31136的14腳，以實(shí)現接收信號時(shí)靜噪的打開(kāi)和關(guān)閉。14腳接收到信號時(shí)，為1．7V高電平，無(wú)信號時(shí)為0 V低電平。

4 基于TA31136的電臺接收電路

圖3所示是TA31136在本接收機中的應用電路圖，該電路的Vcc采用5 V供電。接收信號經(jīng)過(guò)第一次變頻后變?yōu)?1．7 MHz，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)21．7 MHz的晶體濾波器，來(lái)增強對輸入信號的選擇性。T10為諧振頻率21．7 MHz的中周，與三極管Q2組成選頻放大器。VCC2為5 V，可給三極管提供偏置電壓。U3 (TA31136)將16腳輸入的21．7 MHz的信號與1腳的本振信號21．245 MHz進(jìn)行混頻，以形成二中頻455 kHz。再經(jīng)中頻放大，從455 kHz鑒頻中周出來(lái)的解調信號經(jīng)過(guò)由內部電阻R64和外部電容C116組成的低通濾波器，濾去中頻及高次諧波后進(jìn)入低放電路。本方案在10腳和11腳出來(lái)的鑒頻部分之前用的是中周，結果發(fā)現中周線(xiàn)圈很難調試，后來(lái)改用村田制作所的陶瓷鑒頻器CDB450C24。因為CDB450C24結構簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，頻率精確正負1％，帶寬10 kHz左右，而且不需要負載電容。

5 結束語(yǔ)

采用二次變頻方案，不但可以使接收機總增益分散到高頻、中頻和基帶三個(gè)放大級，而且本振信號可以和接收信號更有效的隔離。由于二次變頻比單變頻多了一次濾波，相對雜波的抗干擾性較強，故比單變頻有較好的抗干擾度。但是，超外差式電路也有不足之處，會(huì )出現鏡像頻率干擾。因為鏡像頻率如果位于輸入回路的通頻帶內，通過(guò)外差的變頻作用就會(huì )把像頻位置以及附近的電臺信號搬移到中頻帶內，從而對接收信號形成干擾。為了提高鏡像頻率抑制能力和靈敏度，同時(shí)使輸入回路在整個(gè)波段內保持比較均勻的靈敏度，設計時(shí)可用陷波或吸收回路把鏡像頻率徹底抑制掉。