UHF頻段無線收發信機前端設計

　　本文在438～470 MHz頻段設計了一款音/數兩用收發信機，可組網使用，其發射功率最大可達5 W，通信視距達公里以上，可完全滿足工廠各項測控數據和命令的音/數信號傳輸，提高了工廠的生產效率和現代化程度。

　　1 收發機原理系統設計

　　無線收發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生的信號進行混頻，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。

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　　發射部分由于數字的MSK調制也是在音頻范圍內實現，所以采用音頻信號通過調制鎖相環的參考晶體振蕩器的外接變容二極管電容來實現，通過電容的改變拉動鎖相環參考頻率的改變，從而間接控制VCO的輸出改變，實現調制功能。

　　數字調制部分采用了MSK方式進行調制，MSK調制稱為最小頻移鍵控，是一種特殊形式的FSK調制，其頻差是滿足兩個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實現。選用1 200 Hz和1 800 Hz組合作為MSK調制的2個輸出信號。

　　為達到設計的小型化和低成本，設計中采用市場上成熟的無線收發芯片結合外部電路實現。收發芯片采用TH7122，它具有一次變頻和內置鎖相環，同時集成1個低噪聲放大器和解調單元，可通過向內部寄存器寫入數據改變鎖相環的輸出頻率，滿足接收時混頻本振源和發射時載波的產生。

　　由于芯片只能進行一次混頻，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。對于二端口級聯系統，噪聲計算公式為：

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　　由此可知若第一級增益較大則級聯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，信號調制類型的調制特性函數KM等有如下關系：

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　　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，計算得到靈敏度為-112 dB。理論值高于要求的靈敏度指標。

　　2 部分外部電路設計

　　2.1 T/R開關部分設計

　　PIN管被用作開關時，與機電耦合開關相比具有較高的可靠性，良好的機械強度和開關速度。經典的PIN開關由一個和發射端串聯PIN管，與另一個和接收端并聯PIN管經1/4波長線與天線相連組成。具體如仿真圖2所示。當處于發射態時，2個PIN管都加入正向偏壓，發射信號經過相當于小電阻的串聯PIN管進入天線，而并聯PIN管對地也呈現一個小電阻，短路了接收的天線信號，避免引起接收過載。發射通路的插損和接收通路的隔離度主要由PIN管的正向導通電阻決定。如1Ω的正向電阻在10%帶寬內可獲得超過30 dB的隔離度和小于0.2 dB的插損。

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　　接收狀態時，PIN管加零或負偏壓。這時PIN管等效為一個小電容Ct，使天線和接收機之間僅有很小的插損。但在發射機和天線之間由于PIN串聯，Ct等效為高阻抗，產生高的隔離度。

　　T/R開關所能承受的最大功率Pd，與PIN管的額定功率P1，正向導通電阻R，以及天線端的駐波S關系如下：

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　　由于發射功率最大為5 W，依據公式經過反復選擇，選用SKYWORKS公司的SMP1322-11系列，具有導通電阻小，截止電容小等特點，導通電流為10 mA時，最大R為0.5 Ω。在Zo為50 Ω的系統中即使天線完全失配，Pd為6.25 W，大于5 W，保證開關不會燒毀。

　　經過在ADS中仿真優化，確定開關電壓為5 V，電流為100 mA。當處于發射狀態時，通路插損為0.3 dB，另兩路隔離度為25 dB以上，發射端失配，天線和接收端駐波在1.3以下。

　　接收狀態時，通路插損也為0.3 dB，隔離度為25 dB 。除發射端失配外，天線和接收端駐波小于1.3，滿足了系統要求。圖3為ADS仿真結果，實際調試結果與仿真較吻合。

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