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(多图) 高性能高频收发机设计:业余无线电爱好者的福音

EDNChina编译?? 2013年08月09日 ?? 收藏0
之前在EDN上发表过的文章《21世纪的业余无线电引起了人们诸多的兴趣,人们对这个业余爱好的各个方面也提出了许多问题。本文撰写的动机也是源于这方面的兴趣,但不只限于业余无线电。本文讨论了工程师在设计各种电子设备时每天都在考虑的设计折衷问题。高频收发机在这里用作例证。

无线电设计在很多方面类似其它设备设计

针对业余无线电开发的现代高性能收发机设计实际上与许多其它系统设计没有太多区别。例如,数量不是太多,典型型号一年的用量为几千台。这种设计不能使用ASIC,因为大多数ASIC要求大得多的批量才能满足经济上的可行性。另外,适中的数量通常不会吸引大型半导体公司的产品规划师。

这意味着设计工程师不能依靠简单地组合一些特殊应用芯片就称之为硬件设计。他们也不能依靠制造商提供可以生产的参考设计,像PC、蜂窝电话和平板电脑等大批量市场中的做法是行不通的。相反,工程师们必须精心挑选许多元器件,并设法使它们在一起协调工作,最终满足系统性能目标要求。除了激发工程师的创造性外,还要尝试使用所有可用的技术才能让新产品成功上市,并满足性能和成本目标。

与大多数系统一样,产品同样要求符合相关政府部门的法律法规。对业余无线电收发机来说,政府机构最关心的是发射信号的纯度,避免干扰到其它服务。在美国,适用法规是47CFR97.313(d),“……来自发送频率低于30MHz的基站发射机或外部射频功放的任何杂散辐射平均功率至少要比基频发射平均功率低43dB。”大多数业余无线电收发机是针对全球销售设计的,因此在销售前必须符合种类繁多的其它区域标准(例如CE)。

除了政府法规外,用户对性能也非常敏感——通常愿意为高性能支付更多的费用。实际上对许多工业系统、测试与测量仪器以及医疗设备来说都是这种情况。在低性能系统领域,价格是主要指标,利润非常微薄。换句话说,专注于高性能可以得到良好的回报。

本文将主要讨论几款现代高性能业余无线电收发机的接收侧设计。市场上还有其它的高频收发机,它们是针对商业和政府应用设计的,相比于个人消费者,这些客户可以负担更高的价格。提供高性能的同时满足消费者心理价位将给设计任务增加额外的挑战。

与大多数系统一样,第一件事是定义最差情况下的系统性能要求。对高性能接收机来说,主要指标有灵敏度(能够接收微弱信号)、选择性(能够抑制不想要的信号)以及确定信号链总体线性度的各种方式。线性度非常重要,因为接收多个信号(或单个大信号)的非线性电路将造成难以与实际信号区分的伪信号。与高保真音响发烧友一样,无线电性能痴迷者(无线电发烧友)也有某些测试用例和广播环境可以用来判断一个无线电设备的真实性能。

灵敏度实际上是最容易实现的指标。设计一个具有足够低噪声系数的高频频谱(3-30MHz)接收机相对比较容易,因为系统本底噪声取决于大气噪声,而非接收机噪声。普遍接受的业余无线电接收机最小可分辨信号(MDS)测试用于确定输入射频功率电平,与没有输入信号相比,它需将窄带(500Hz左右)的音频输出提升3dB。大多数现代接收机的MDS指标在-135dBm数量级。

业余无线电是不使用特定离散信道(最近分配的60米频段是使用固定信道的唯一业余无线电频段)的少数几个需要执照的高频无线服务之一。在任何给定的频段,无线电台可以免费使用其它台不在使用的任何频率。信号间隔可能极其小。考虑如图1所示的频谱图形。这张图显示了在2kHz带宽(小于一个典型单边带话音信号的宽度)内有7个单独的连续波莫尔斯码信号。


图1:这幅图的上半部分显示的是在这个频谱分析仪显示屏上占用不到一个单边带话音信号的带宽内有7个连续波信号。下半部分是相同信号的一种滚动“瀑布”图。

选择性可以通过模拟滤波(通常用多极点晶格滤波器)、DSP或两者的组合来实现。模拟/数字滤波的最佳平衡以及在信号路径的何处应用是成本/性能折衷考虑的主要因素,并且伴随着每一代无线电设计在不断改变……就像任何其它系统一样。

线性度是很困难的指标,它决定了一个无线电设备在遇到其它相邻信号时的性能有多好。可以使用各种测试方法来判断一个无线电设备的性能,但即使是针对想要的测试条件构建一个象样的测试装置也很具挑战性。

在一个存在线性问题的接收机中,输入信号足够大就会产生杂散信号。例如,位于1823.5kHz(f1)和1824.0kHz(f2)的信号可能会在2f1-f2或1823kHz处产生三阶互调分量,这个分量正好落在通带中。一旦出现这种情况,无论什么样的滤波方法都无法消除这个信号,因为后面的电路没有办法将它与实际信号区分开来。

当接收机前端出现大量信号时,问题将更加严重。图2显示了在常见的操作过程中产生的50kHz频谱片段。


图2:在常见的广播竞赛中捕获到的这张图显示超过100个不同的信号共享一个50kHz带宽。

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第1页:无线电设计在很多方面类似其它设备设计

第2页:针对测试的设计

第3页:另外一个难以满足的指标

第4页:现在情况完全不同了


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高频收发机? 业余无线电?

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