VHF发射机各模块电路的工作原理及设计方法

引言

超外差发射接收机的主要优点是可在比较低的中频频段实现相对带宽比较窄而矩形系数较高的中频滤波器， 此类中频滤波器可以提高接收机的选择性， 而且可以从中频级获得较大的增益，从而降低射频级实现高增益的难度。当射频信号频率上升到微波甚至毫米波时， 即可采用二次变频方法， 以进一步降低滤波器的实现难度， 保证接收机的选择性。在该VHF发射接收机中， 信号的频率在160 MHz附近， 而带宽仅为15 kHz， 这样， 为了实现信号的滤波， 如果不采用二次变频， 则相应的滤波器设计将变得非常复杂。

但是， 超外差式电路常常会出现镜像频率干扰。如果镜像频率位于输入回路的通频带内， 通过外差的变频就会把镜像信号以及附近的电台信号搬移到中频带内， 从而对接收信号形成干扰。

为了抑制镜像干扰， 设计时可选161.975 MHz（261.975 MHz和100 MHz） 的差频作为CH87B信道发射信号的载波。同时选取162.025 MHz（262.025 MHz和100 MHz的差频） 作为CH88B信道发射信号的载波。本文的发射机电路就包含了几乎所有射频通信设备常用的电路和射频通信系统解决方案， 也可用来构建无线射频监控系统。

1 发射机简介

发射机的结构框图如图1所示。图中， 发射机的工作频率为156.025～162.025 MHz。系统主要分为基带调制、调制发射、锁相等三部分。其中调制发射部分只有一个通道， 可通行156.025～162.025 MHz信号， 发射由单片机控制间断发射，发射周期受时间、地点、通信距离等因素的影响， 大概在3~10 s左右。根据接收要求， 发射机采用TDMA方式， 可在不同的时隙发射不同频率的信号， 通常切换发射信道的时间间隔小于25ms， 具体规格见表1所列。

表1 发射机的基本参数指标

 

图1 发射机链路结构。

2 发射模块的实现

2.1 频偏控制电路

图2所示是该发射机的频偏控制和继电器选择电路。其中GMSK信号可分两路经过运算放大器U13A 和U13B， 图中的VR501～VR504 为电位器， 调节电位器可改变运放对GMSK的放大倍数，并可改变调制信号的幅度， 从而改变VCO的调制频偏的大小。经两路运放的SWITCH1、SWITCH2信号可由单片机控制继电器并选择其中一路。

图2 频偏控制和继电器选择电路。

2.2 调频压控振荡器设计

图3所示是本系统的调频压控振荡器电路。

图3 调频压控振荡器电路。

该VCO电路属于直接调频电路， MODULE （U32）为基带的GMSK信号， 该信号可控制变容二极管D1， 以使D1的容值随信号的幅度发生变化。因此， VCO的输出频率受基带GMSK信号的控制，则VCO的频率输出端Fin （U32） 的信号（262.025MHz或261.975 MHz） 包含基带GMSK信号的信息，也就是说， 该信号就是调频信号。基带的GMSK信号可控制D1， 从而改变VCO的发射频率的频偏。VFDC （U32） 是锁相环的控制电压输入端，PLL通过该控制电压可控制VCO， 以使其工作在设定的中心频率上。LG （2SC2712） 部分可构成有源电源滤波器， 通过该滤波器可有效地滤除几十KHz以下的信号成分（特别低）， 这样， 在稳压器与VCO之间接入有源电源滤波器， 电路就能可靠工作。K52 （2SK508） 为VCO的振荡管， 该管子与电容C54 （5.1pF）、C57 （5.1pF） 以及几个变容管可组成克拉波振荡器。R25 （2SC3356） 作为输出缓冲器， 可防止克拉波振荡器受到下一级低输入阻抗的影响。在VCO中， 通常两个变容二极管需要背对背接在一起， 当其中一个二极管导通交流时， 偏压电位被嵌位在低电平， 而此时另一个二极管就被反向偏置， 这样可以减少失真成分。但这样也会使变容二极管的电容减少一半。

为了提高VCO的Q值， 电感L2应采用漆包线绕制而成（线径为0.4 mm， 内径为2.3 mm， 绕制3圈），采用线绕电感的另一个作用是比较方便调试。如果PLL没有锁定， 也可以适当的调松线圈， 直到PLL锁定为止。该VCO的增益约为15 MHz/V， 而且随着控制电压的增加， 其输出频率也增加， 因而是一个线性递增的过程。

2.3 发射锁相环设计

本系统中的发射锁相环电路如图4所示。图中， LMX1501锁相环是控制调频VCO的。基带信号（经过HDLC打包的GMSK调制信号） 经过VCO的频率调制后， 将由锁相环锁定在262.025 MHz以及261.975 MHz上， 频偏≤5 kHz。锁相环的参考频率采用的温补晶振（TCXO） 为NDK公司的FUA3177A， 参考频率为12.8 MHz， 频率稳定度为2.5 ppm， 该TCXO有VC功能， 它是保证移动终端与基站信号频率相同的要求而进行频率自调整的一种功能， 也就是说， VC是锁相环电路可使本机振荡频率和基站频率达到频率锁定状态的频率调整功能， 一般情况下， CDMA移动终端对VC-TCXO的VC频率调整功能要求频率变化范围在±8～±16 PPM， VC电压变化范围1.5±1 V。Fin（U32） 是VCO的输出频率， VFDC （U32） 是PLL输出的控制VCO的锁定电压， 当VCO被锁定时， 该电压介于0 V和Vp （电荷泵电路的电源） 之间。PLL的电压Vcc要比电荷泵的电压Vp低（输入到VCO的DC控制电压总是比Vp小零点几伏， 所以Vp必须有一个足以驱动VCO的DC控制端的合适的幅度）。PLLC、PLLD、PLLE1501是从单片机送过来的控制锁相环的信号。

图4 发射锁相环电路

2.4 发射链路设计

调制信号Fin （U32） （262 MHz） 与本振Fin（U29） （100 MHz） 经过LC带通滤波器后再混频，即可得到发射信号， 发射信号经过两级R25放大以及MMIC电路缓冲放大后， 再送到功率集成放大电路M57719的输入端， 即可将功率放大到12.5W后由天线发射出去。图5所示是发射混频及放大电路。

图5 发射混频及放大电路

图6所示是其微波集成预放大电路， 图中的IC2的增益可达15 db， 且耐高温， 其输入、输出阻抗均为50Ω。该电路的典型应用频率为500MHz， 为NPN型电路， 电路引脚均由微带线构成，两个长短不一的引脚分别对应输入和输出引脚。

图6 预放大及功放电路芯片正常工作时， 输入端的导通电压约0.58 V，输出端则需加14 V直流电压。其余两端等长且都接地。IC2在正常工作时， 会产生很高的温度， 且长时间工作会使芯片功能下降， 严重时还会击穿内部电路的PN结而损坏芯片， 以上现象均在实验过程中有所出现， IC2的通断由TDD时隙决定， 故可以起到保护作用。

图6电路中的M57719为一集成大功率功放，其频率范围为145~175 MHz， 最大输出功率可达14 W， 输入、输出阻抗均为50Ω。信号由1脚输入， 4脚输出， 2， 3脚分别为两级放大器的供电端。M57719对输入信号的功率有一定的要求，即要求前级预放相对于本振信号增益为20 dB时才能满足输出功率的要求， 此时功放的输入电平约为10 dbm或者更高， 实验过程中可达16 dbm，否则运放将不工作。还应注意： 电台工作时不能长时间发射， 否则会损坏预放电路和功放模块。

图6 预放大及功放电路

M57719的两级放大器均为14 V直流供电， 第二级放大器直接由直流供电（3脚）， 第一级放大器的供电电压由功放控制电路控制， 天线检测电压信号V1与单片机控制的基准电压V2分别连接到运放的反相和同相输入端， 经过运放的输出电压Vo=2 （V2—V1）， Vo经过电阻分压后可以给开关管V36基极提供导通电压。无发射时， V1很小，此时开关管V36导通， BAQL管导通且集电极输出约14 V电压给M57719的2脚、IC2的输出端提供直流工作电压； 而发射时， 则可检测到V1突然变得很大， 此时， V0分压后的电压小于V36的导通电压， V36由导通变为不导通， M57719、IC2断电不工作， 发射机停止发射。

通过M57719将电路信号放大到12.5 W并从4脚输出， 然后经过耦合电容和开关二极管D1后，可传送到天线滤波器发送出去。天线滤波器是一个低通滤波器， 可用ADS2004设计。该低通滤波器为接收和发射共用部分， 其转折点频率为167MHz。两个二极管D1和D2的作用是在发射时加上电压并对高频信号短路， 从而使发射的大功率信号能通过D1进入低通滤波器并发射出去， 同时使D2导通， 以保护接收电路。接收时， 由于没有直流电压， D1不导通（类似开路）， 以使接收信号无衰减地进入高通滤波器。从ADS仿真效果来看， 天线滤波器的发射频点162.025 MHz 以及161.975 MHz几乎处在smith原图的圆心， 其带内插损（S21） 小于05 dB。

3 结束语

本发射机通过与基带以及接收机的联调表明， 其接收误码率可达到0.05%， 故可用于工业控制领域， 实现小区的数传通信。

本系统可以通过串口终端向基带板传输数据， 而接收机则可接收回来的数据解调情况， 以分别为基带板传送电台信号、接收解调信号， 以及接收回来的数据。