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摘要：為了提高現(xiàn)代工廠設備的調度效率，降低儀器儀表等測控數(shù)據(jù)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的無線音/數(shù)兩用小型收發(fā)信機。數(shù)字調制方式采用MSK調制，同時可切換到音頻模式。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的方式間接調制VCO輸出，經過芯片內部放大、外接功率驅動電路和功率放大電路將發(fā)射功率增至5 W，再經諧波濾波發(fā)射。經過仿真實驗，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。
隨著無線通訊技術的飛速發(fā)展，在現(xiàn)代測控技術中越來越多地采用無線技術來傳輸各種測控儀表數(shù)據(jù)�，F(xiàn)代化智能工廠的各種大型設備中均有大量的測控數(shù)據(jù)需要及時與總控設備交換信息，以保證各項生產安全、有效地運行。無線傳輸具有架設容易、組網方便靈活、成本低廉等顯著優(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，同時具有大量無需登記就可使用的ISM頻段，從而在民用低成本無線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(shù)兩用收發(fā)信機，可組網使用，其發(fā)射功率最大可達5 W，通信視距達公里以上，可完全滿足工廠各項測控數(shù)據(jù)和命令的音/數(shù)信號傳輸，提高了工廠的生產效率和現(xiàn)代化程度。
1 收發(fā)機原理系統(tǒng)設計
無線收發(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(shù)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(jù)系統(tǒng)的需要進行一次或多次混頻�；祛l的次數(shù)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(shù)字的MSK調制也是在音頻范圍內實現(xiàn)，所以采用音頻信號通過調制鎖相環(huán)的參考晶體振蕩器的外接變容二極管電容來實現(xiàn)，通過電容的改變拉動鎖相環(huán)參考頻率的改變，從而間接控制VCO的輸出改變，實現(xiàn)調制功能。
數(shù)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(xù)。其頻差△f=f2-f1。由于要傳輸?shù)臏y控數(shù)據(jù)速率較低，MSK調制直接采用芯片MX469實現(xiàn)。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(fā)芯片結合外部電路實現(xiàn)。收發(fā)芯片采用TH7122，它具有一次變頻和內置鎖相環(huán)，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(shù)據(jù)改變鎖相環(huán)的輸出頻率，滿足接收時混頻本振源和發(fā)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(lián)系統(tǒng)，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(tǒng)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(shù)。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(tǒng)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(tǒng)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(shù)NF，信號調制類型的調制特性函數(shù)KM等有如下關系：
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，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(fā)射端串聯(lián)PIN管，與另一個和接收端并聯(lián)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(fā)射態(tài)時，2個PIN管都加入正向偏壓，發(fā)射信號經過相當于小電阻的串聯(lián)PIN管進入天線，而并聯(lián)PIN管對地也呈現(xiàn)一個小電阻，短路了接收的天線信號，避免引起接收過載。發(fā)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。
作者：電子科技大學 王楓 胡永忠 申俊星 來源：電子設計工程
