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)領域的無線監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的通信質量，因而是監(jiān)控終端中的關鍵設備，也是典型的數字通信射頻無線收發(fā)設備，它比最為常見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(tǒng)解決方案，因此，數傳電臺常用來構建無線射頻監(jiān)控系統(tǒng)。在通信系統(tǒng)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、小的群時延變化、小的互調失真(IMD)、大的頻率動態(tài)范圍、穩(wěn)定的自動增益控制(AGC)、適當的射頻(RF)和中頻(IF)增益、好的頻率穩(wěn)定度、滿意的增益穩(wěn)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。同時，可能還要受費用的約束。

1 接收機方案

一般來說，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現(xiàn)容易、穩(wěn)定度高和干擾少等的優(yōu)點，在較低的固定中頻上比較容易實現(xiàn)解調，缺點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，缺點是有本振泄漏、噪聲性能較差和產生直流偏置；數字零中頻方案在設計中將數字化的過程提到了系統(tǒng)的中頻部分，故可使信噪比(SNR)得到改善，提高了可靠性，缺點是系統(tǒng)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程中一般都使用中頻，因此也稱為中頻接收機。它具有成熟的理論基礎和實踐背景，并已獲得廣泛的應用。該結構在第一代蜂窩移動電話、模擬FM對講機以及FM收音機中比較常見。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現(xiàn)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。當天線接收到高頻信號并經輸入調諧回路后，經過射頻放大級放大，便可進入混頻級。此時本機振蕩器輸出的另一高頻信號亦進入混頻級，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級的輸出經調諧回路選出中頻信號，再經中頻放大器放大，以獲得足夠高的增益，然后經TA31136二次混頻后，并經鑒頻器解調出低頻信號，最后由低頻功放級放大。由于天線接收到的高頻信號經過混頻后，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，無線阻抗為50 Ω。

3 TA31166中頻解調芯片

本接收模塊中比較關鍵的是TA31136中頻解調芯片，它是第二中頻檢測器。TA31136主要用來進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性集成芯片，常用于無線電話的調頻中頻解調。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，來自第一中頻信號(21．7 MHz)先通過晶體濾波器濾除臨近的雜波信號，再通過諧振放大器放大后經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455 kHz陶瓷濾波器濾除無用信號，在經5腳輸入后，通過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腳是移相網絡，可接一個諧振頻率為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，電路中還帶有自動增益控制(AGC)電路，AGC工作時的放大倍數與RSSI成線性比例關系，因此通過校準AGC的放大倍數，可以保證AGC的輸出結果，以對RSSI進行精度校準。TA31136的9腳電壓是可變，在接收通路的頻點時電壓為1．11 V，改變頻率，電壓會下降。

實現(xiàn)靜噪檢測時，可將TA31136輸出的音頻信號的一部分經電阻分壓后再次進入中頻集成電路的7、8腳，可通過芯片內部濾波器和放大器對其噪聲分量進行放大整流，以產生一個和噪聲分量相對應的直流電壓，送到MCU的模擬端口進行檢測。輸入的直流電壓可以和一個預先設置的電壓值進行比較，然后根據比較結果控制開放或關閉揚聲器的輸出。為保證接收機在沒有輸入信號時輸出沒有噪聲，MCU再根據比較結果輸出高低電壓信號來控制31136的14腳，以實現(xiàn)接收信號時靜噪的打開和關閉。14腳接收到信號時，為1．7V高電平，無信號時為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。接收信號經過第一次變頻后變?yōu)?1．7 MHz，然后經過兩個21．7 MHz的晶體濾波器，來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進行混頻，以形成二中頻455 kHz。再經中頻放大，從455 kHz鑒頻中周出來的解調信號經過由內部電阻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入低放電路。本方案在10腳和11腳出來的鑒頻部分之前用的是中周，結果發(fā)現(xiàn)中周線圈很難調試，后來改用村田制作所的陶瓷鑒頻器CDB450C24。因為CDB450C24結構簡單，容易實現(xiàn)，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

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，會出現(xiàn)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，通過外差的變頻作用就會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，同時使輸入回路在整個波段內保持比較均勻的靈敏度，設計時可用陷波或吸收回路把鏡像頻率徹底抑制掉。