FM-SCA射頻接收系統(tǒng)二本振電路的設(shè)計(jì)與分析

摘要：綜合分析FM-SCA射頻接收中二本振電路。該二本振電路采用了MC3374內(nèi)部振蕩電路。文中采用理論分析、SPICE模擬及實(shí)際調(diào)試相結(jié)合的方法，確定振蕩電路的結(jié)構(gòu)及其振蕩電路的元器件參數(shù)。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，該電路滿足易起振、振蕩頻率穩(wěn)定、振蕩幅度高等條件。
關(guān)鍵詞：FM-SCA射頻接收 振蕩電路 SPICE模擬

　　近年來國際上出現(xiàn)了利用調(diào)頻（FM）廣播副載波進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。由于這種技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、不額外占用頻率資源、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，通過調(diào)頻廣播輔助信道開展通信業(yè)務(wù)-SCA（Subsidiary Communication Authorization）得到了很大發(fā)展。

　　高頻振蕩電路廣泛地應(yīng)用在電子系統(tǒng)及設(shè)備中。當(dāng)今隨著通信的飛速發(fā)展，對本振性能的要求也越來越高。有關(guān)振蕩器的理論、設(shè)計(jì)和技術(shù)在近年來也得到了不斷的發(fā)展。在射頻接收電路中，本地振蕩信號源（高頻振蕩器）一般采用正弦波振蕩器，對振蕩器提出的主要指標(biāo)為振蕩頻率和振蕩幅度的精確性與穩(wěn)定性。正弦波振蕩電路主要包括LC振蕩電路和RC振蕩電路。

　　在要求本地振蕩信號頻率精度較高的應(yīng)用中，晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度比陶瓷振蕩電路要高，可以超過10 -5數(shù)量級。但由于受晶體晶片本身的局限，在幾百kHz頻段時(shí)的昌振體積就很大，不適用于小型化的無線尋呼接收機(jī)。由于SCA無線數(shù)據(jù)傳輸信息是經(jīng)過兩次不同的調(diào)制（FSK調(diào)制和FM調(diào)制）后，與調(diào)頻廣播臺其它信息一起，由調(diào)頻電臺發(fā)射天線發(fā)射到空間的[1]，所以FM-SCA無線數(shù)據(jù)傳輸接收終端在接收到主載波的復(fù)合信號后，需經(jīng)過兩次解調(diào)才能還原出原來的數(shù)據(jù)信息，即：

　　首先，通過天線接收且高頻放大后，經(jīng)第一次混頻、第一中頻濾波、第一次解調(diào)輸出 SCA信號，此信號是FSK信號。然后，必須再進(jìn)行一次解調(diào)才能還原出FM-SCA信息，即經(jīng)第二次混頻、第二中頻濾波、第二次解調(diào)、低通濾波，最后得到數(shù)字信號。所以二本振電路在FM-SCA射頻接收電路中占有很重要的地位。然而，在SCA射頻接收電路中[2]，根據(jù)超外差接收原理，其二本振聽頻率為 522kHz（67kHz+455kHz）。由于該頻段內(nèi)石英晶體的體積很大，不利于實(shí)現(xiàn)SCA射頻接收的小型化，因此，二本振電路采用了陶瓷振子振蕩電路。

一、陶瓷振子的特性

　　陶瓷振子的頻率覆蓋范圍從千赫范圍茲到兆赫茲之間，其頻率穩(wěn)定性介于LC/RC和石英晶體振蕩器之間。它具有尺寸小、起振性能好、無需調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。

　　陶瓷振子的等效電路如圖1所示，與石英晶體的等效電路一致，但其Q值比石英晶體差。測試522kHz陶瓷振子的特性，可知該陶瓷振子在498～531kHz 范圍內(nèi)，振子呈感性，且動(dòng)態(tài)電感極大，Q值很高，是振子在振蕩器中的應(yīng)用范圍。超過此范圍振子呈容性，不滿足相位條件，將不產(chǎn)生振蕩。

二、二本振電路的設(shè)計(jì)

　　由于現(xiàn)在幾乎所有的FSK解調(diào)芯片都把振蕩器集成其中。MC3374也同樣如此，所以二本振電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需在片外接晶振與振蕩回路所需的電路即可。只要電容值適錄，就可以實(shí)現(xiàn)二本振的穩(wěn)定振蕩。

    1.理論分析

　　參閱MC3374資料，在SCA射頻接收中，二本振的振蕩電路如圖2（a）所示[2]。圖2(b)為該振蕩電路的計(jì)算分析等效電路，即把二本振電路分為諧振器和有源網(wǎng)絡(luò)兩部分[3]：諧振器部分的阻抗是頻率的函數(shù)，尤其在諧振點(diǎn)附近隨著頻率變化而發(fā)生較大變化；有源網(wǎng)絡(luò)部分的阻抗隨頻率變化的幅度不大，而且與電路的電源電壓及直流偏置參數(shù)還一定關(guān)系。

　　利用線性負(fù)阻分析方法可得振蕩電路圖2（b）的交流等效電路，如圖3所示。通過推導(dǎo)，可得出該電路的阻抗為

　　雖然利用上式求解振蕩頻率，不僅計(jì)算麻煩，而且結(jié)果也不精確，但是從該式可以看出振蕩頻率與C1、C2的關(guān)系。Zact=Ract+jXact，當(dāng)C1減小時(shí)，Ract的絕對值變大，Xact的絕對值也變大；或當(dāng)C2減小時(shí)，Ract的絕對值也變大，Xact的絕對值也變大，都會引起振蕩電路的頻率變高。

2.SPICE模擬

　　在工程估算的基礎(chǔ)上，采用SPICE模擬，進(jìn)一步較為精確地確定振蕩元器件參數(shù)，以備實(shí)際設(shè)計(jì)的使用。

　　通過對圖2（b）所示拆分的振蕩電路分別進(jìn)行AC分析，再稍作處理，可以得到較為精確的諧振頻率，而且分析速度快。在進(jìn)行SPICE模擬時(shí)，將電路分為諧振器和有源網(wǎng)絡(luò)兩部分，分別加以1A的交流激勵(lì)電流，然后對其進(jìn)行AC分析，可得到不同頻率點(diǎn)的Vact和Vpas(即Zact和Zpas)。設(shè) Vtotal=Vact+Vpas，在Vtotal的虛部為零、實(shí)部為負(fù)的頻率點(diǎn)即為電路的諧振點(diǎn)。圖4即為交流分析結(jié)果。

　　圖4中：A、D曲線對應(yīng)的是C1=C2=330pF；B、E曲線對應(yīng)的是C1=C2=230pF；C、F曲線對應(yīng)的是C1=C2=130pF。它們均能滿足起振條件，并可以得到相應(yīng)的振蕩頻率分別為： 522.468kHz、524.955kHz、528.570kHz。由此可見，C1、C2改變時(shí)，振蕩頻率分跟著發(fā)生少量變化，變化趨勢如圖5所示。

    　由以上分析可知：為使二本振諧振在522kHz左右，C1與C2都選為330pF，否則，振蕩頻率會發(fā)生偏移，影響SCA的射頻接收效果。

　　該陶瓷振蕩器的瞬態(tài)分析輸出結(jié)果如圖6（a）、6（b）所示。由此可見，瞬態(tài)分析結(jié)果與AC分析得出的諧振頻率吻合得很好。

3.振蕩器輸出幅度

　　在理論上估計(jì)該振蕩器的輸出幅度時(shí)，由于輸出負(fù)載與振蕩器之間屬弱耦合，C1<

　　查表可知：V=40，因此，實(shí)際的基極電壓為40×26mV=1040mV。事實(shí)上，振蕩時(shí)發(fā)射極工作點(diǎn)發(fā)生偏移，使集電極一發(fā)射術(shù)電壓達(dá)到飽和，如圖7所示。

   　 由圖7可知：若集電極出現(xiàn)飽和，則輸出幅值正比于電源電壓，同時(shí)電路的有載Q值與電源電壓、發(fā)射極靜態(tài)工作電流及反饋系數(shù)有關(guān)。

    　在SCA射頻接收中，二本振電路采用了MC3374內(nèi)部振蕩電路，設(shè)計(jì)的振蕩電路振頻頻率為522kHz。二本振電路中外接元件C1與C2的值取為330pF，其電路易起振、振蕩頻率穩(wěn)定、振蕩幅度高，振蕩特性較好，符合設(shè)計(jì)要求。