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(多图) UHF频段无线收发信机前端设计

电子设计工程 王枫 胡永忠?? 2011年03月23日 ?? 收藏0

  随着无线通讯技术的飞速发展,在现代测控技术中越来越多地采用无线技术来传输各种测控仪表数据。现代化智能工厂的各种大型设备中均有大量的测控数据需要及时与总控设备交换信息,以保证各项生产安全、有效地运行。无线传输具有架设容易、组网方便灵活、成本低廉等显著优势,已成为此种应用的首选方案。而 UHF频段具有通信视距远、传播路径干扰少等特点,同时具有大量无需登记就可使用的ISM频段,从而在民用低成本无线通讯中具有广泛的应用。本文正是基于这些优势在438~470 MHz频段设计了一款音/数两用收发信机,可组网使用,其发射功率最大可达5 W,通信视距达公里以上,可完全满足工厂各项测控数据和命令的音/数信号传输,提高了工厂的生产效率和现代化程度。

  1 收发机原理系统设计

  无线收发信机中接收机大体上可分为超外差结构、零中频结构和数字中频接收机等,如图1所示。其中超外差结构是指将接收到的射频信号于本地振荡器产生的信号进行混频,然后利用滤波器取出两者的差值作为中频信号,可根据系统的需要进行一次或多次混频。混频的次数和中频信号的选取要结合中频滤波器的设计和镜像抑制、信号带宽、噪声等综合考量设计。

无线收发信机中接收机

  发射部分由于数字的MSK调制也是在音频范围内实现,所以采用音频信号通过调制锁相环的参考晶体振荡器的外接变容二极管电容来实现,通过电容的改变拉动锁相环参考频率的改变,从而间接控制VCO的输出改变,实现调制功能。

  数字调制部分采用了MSK方式进行调制,MSK调制称为最小频移键控,是一种特殊形式的FSK调制,其频差是满足两个频率相互正交的最小频差,并要求 FSK信号的相位连续。其频差△f=f2-f1。由于要传输的测控数据速率较低,MSK调制直接采用芯片MX469实现。选用1 200 Hz和1 800 Hz组合作为MSK调制的2个输出信号。

  为达到设计的小型化和低成本,设计中采用市场上成熟的无线收发芯片结合外部电路实现。收发芯片采用TH7122,它具有一次变频和内置锁相环,同时集成1个低噪声放大器和解调单元,可通过向内部寄存器写入数据改变锁相环的输出频率,满足接收时混频本振源和发射时载波的产生。

  由于芯片只能进行一次混频,中频为了易于选择通用器件定为10.7 MHz,这就造成镜像信号难以抑制。为此设计中采用加入PIN电调滤波器抑制镜像信号和对信道预选。对于二端口级联系统,噪声计算公式为:

 噪声计算公式

  由此可知若第一级增益较大则级联系统噪声主要由第一级LNA的噪声决定。对于滤波器等损耗性电路,其损耗就噪声系数。因此前述的在内部LNA前加入PIN 滤波器和谐波滤波器恶化了系统噪声,在滤波器之前加入一级外接LNA,使其有高增益和低噪声,这样系统噪声就主要有外部LNA和谐波滤波器损耗决定。

  接收灵敏度是收发机的一项主要指标,它与信道带宽B,噪声系数NF,信号调制类型的调制特性函数KM等有如下关系:

 信号调制类型的调制特性函数KM等有如下关系

  当信道带宽为30 kHz,模拟调制所需信纳比KM为10 dB,NF为5 dB时,计算得到灵敏度为-112 dB。理论值高于要求的灵敏度指标。

  2 部分外部电路设计

  2.1 T/R开关部分设计

  PIN管被用作开关时,与机电耦合开关相比具有较高的可靠性,良好的机械强度和开关速度。经典的PIN开关由一个和发射端串联PIN管,与另一个和接收端并联PIN管经1/4波长线与天线相连组成。具体如仿真图2所示。当处于发射态时,2个PIN管都加入正向偏压,发射信号经过相当于小电阻的串联PIN管进入天线,而并联PIN管对地也呈现一个小电阻,短路了接收的天线信号,避免引起接收过载。发射通路的插损和接收通路的隔离度主要由PIN管的正向导通电阻决定。如1Ω的正向电阻在10%带宽内可获得超过30 dB的隔离度和小于0.2 dB的插损。

仿真图

  接收状态时,PIN管加零或负偏压。这时PIN管等效为一个小电容Ct,使天线和接收机之间仅有很小的插损。但在发射机和天线之间由于PIN串联,Ct等效为高阻抗,产生高的隔离度。

  T/R开关所能承受的最大功率Pd,与PIN管的额定功率P1,正向导通电阻R,以及天线端的驻波S关系如下:

 最大功率Pd

  由于发射功率最大为5 W,依据公式经过反复选择,选用SKYWORKS公司的SMP1322-11系列,具有导通电阻小,截止电容小等特点,导通电流为10 mA时,最大R为0.5 Ω。在Zo为50 Ω的系统中即使天线完全失配,Pd为6.25 W,大于5 W,保证开关不会烧毁。

  经过在ADS中仿真优化,确定开关电压为5 V,电流为100 mA。当处于发射状态时,通路插损为0.3 dB,另两路隔离度为25 dB以上,发射端失配,天线和接收端驻波在1.3以下。


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UHF频段? 无线收发信机? ISM频段?

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