DMR终端锁相调频接收机设计

分享到:

        2004年,欧洲电信标准协会(ETSI)提出新型数字集群通信系统DMR(Digital Mobile Radio),DMR系统与TETRA和iDEN系统相比具有易于实现、成本低廉等优势,已经开始受到国内外各大集群设备生产厂商的高度重视。因此,文中提出一种专门针对DMR系统的接收机设计,对射频信号采用两次下变频,先后得到45.05 MHz和455 kHz的两个中频信号,最后再由鉴频芯片TA31 136解调得到语音信号。本方案具有成本低,性能良好,接收分辨率高,覆盖范围广等优点,已成功应用在我们开发的DMR数字终端设备上。

1 本接收机的总体设计方案

        其中两个BPF均为分立元件搭建、陶瓷滤波器。MCF采用成品元件、IF AMP为三极管搭建,在此不进行详述。下面主要对各重要模块设计进行详细说明。

(1)低噪放LNA的电路设计。

        本接收机用于实际批量产品,处于降低成本的考虑,低噪放LNA采用MOS管3SK318及外围电路来实现,其电路图,如图2所示。

        通过调节3SK318的偏执电路,当供电电压为5 V时,上图中有V1=4.91 V,V2=4.81 V,V3=0.99 V,V4=2.0 V,此时LNA的放大增益为20 dB。

(2)接收机本振锁相环电路设计。

        本接收机的本振由MAX2620和MB15E03L所组成的锁相环频率合成器来提供。Maxim公司的MAX2620是一种使用非常方便的振荡器芯片,其内部组成,如图3(a)所示。MAX2620提供一个缓冲放大输出级,能够减少负载变化对振荡器频率的影响,供电电压范围为2.7~5.25 V,内部设有偏置电路以稳定其工作点,使工作受电源波动的影响减小,并具有电源关断能力,由SHDN端控制。两个互补的输出(OUT与OUT)可以构成两个单端输出或是一个差分输出,MAX2620采用双极技术,输出为集电极开路,因此输出需要上拉电阻。针对不同的负载两相输出功率分别可达-2 dBm和-10 dBm,在本设计中OUT输出已调频信号,OUT输出作为PLL反馈频率供鉴相使用。

        压控振荡器的设计采用传统的Colpitts共射串联谐振结构,这种结构可以工作在很宽的频率范围内以满足系统宽带要求。MAX2620采用双极设计结构,其交流小信号等效电路,如图3(b)所示,其中电容C1,C2,寄生电容Cp1、Cp2及跨导gm决定了振荡器的输入阻抗为

        Colpitts振荡器就是利用“负阻”原理实现振荡的。得到有源电路的输入阻抗及单端口网络参数S11之后,构建与有源部分相对应的LC谐振槽路。VCO整体结构,如图4中MAX2620部分所示。搭建VCO后,测量得到VCO振荡频率范围为:420~470

        Colpitts振荡器就是利用“负阻”原理实现振荡的。得到有源电路的输入阻抗及单端口网络参数S11之后,构建与有源部分相对应的LC谐振槽路。VCO整体结构,如图4中MAX2620部分所示。搭建VCO后,测量得到VCO振荡频率范围为:420~470 MHz@0~4 V,调制灵敏度为12.5 MHz/V,并且线性度良好。MAX2620内部集成了VCO缓冲放大输出级,能够减少负载变化对振荡器振荡频率的影响。输出以提升电感和串联电容匹配至50Ω负载,OUT端只需50Ω提升电阻并耦合反馈至频率合成器即可。

        完成VCO后根据所选路的PLL频率合成芯片设计环路滤波器。PLL频率合成芯片MB15E03SL是Fujitsu公司生产的串行输入吞脉冲PLL频率合成器,最高支持1.2 GHz的工作频率,内部集成了低噪声数字鉴相器,可设置双模比例因子M/M+1,14 bit可编程参考分频比R及18 bit的可编程N分频器,芯片提供非常简单的三线SPI串行输入设定上述各项参数得到所需频率,输出频率计算式为

         MB15E03SL其他参数详见数据手册,锁相环频率合成器设计原理图,如图4所示。

        根据系统要求:信道间隔12.5 kHz,容差±2 ppm,锁定时间<4 ms,根据文献[2]计算得环路带宽必须满足Fc≥1.6 kHz。由于增大环路带宽可以减小锁定时间,而环路太宽则会严重影响相位噪声,并且一般要求Fc不超过比较频率FPD的1/5,选择Fc=2.5.kHz。在VCO调制灵敏度等于20 MHz/V,电荷泵增益选择为Kφ=±1.5 mA,比较频率fPD=1 2.5 kHz,输出频率范围为420~470 MHz,环路滤波带宽Fc=2.5 kHz,相位裕量φ=48°,环路滤波极点比T3/T1=45%,参考输入频率13 MHz的条件下计算环路滤波器的各项参数。得到环路滤波器参数为:R_LF1=3.3 kΩ,R_LF2=5.6 kΩ,C_LF1=4.7 nF,C_LF2=47 nF,C_LF3=2.2 nF 。理论计算结果表明,在此环路条件下锁相环锁定时间Lock-time=1.3 ms,相位噪声能达到PN=-94.07 dBe/Hz@10 kHz,环路带宽Fc=2.56 kHz,相位裕量为39.52°,已经能够达到系统需求,根据此环路滤波条件建立调频锁相环原理图,如图4所示。图5为锁相环430 MHz时的杂波测试图。

(3)下变频混频器电路设计。

        Maxim公司的MAX2680是一低功耗、低噪声系数,专门适用于低电压操作的下变频混频器。它的适用频率为400~2 500 GHz,供电电压为2.7~5.5 V,具有较高的三阶输入截止点(IIP3在2 450 MHz)和<0.1μA的低功率关闭模式,是手持通信设备的理想器件,因此本设计采用此芯片。电路设计,如图5所示。

        本接收机采用两次下变频进行鉴频,MAX2680为第一次下变频,产生一个45.05 MHz的中频信号。/SHDN为开关控制使能端,当为低电平时芯片不工作,当为高电平时芯片正常工作。接收的RF信号范围为400~450MHz,满足MAX2680的适用范围,本振信号L0由锁相环混频器产生。理论上,当RF为400 MHz,L0为445 MHz时,混频的增益为11 dB;而实际测量:当RF为405 MHz,功率为-48 dBm,L0为450.05 MHz,功率为-16 dBm时,输出IF为45.05 MHz,功率为-54 dBm。满足后续模块(鉴频芯片TA31136对输入信号的要求)对功率信号的要求。

(4)鉴频器的电路设计。

        TA31136是一个低电压操作的FM中频检测芯片,它主要适用于无线电话机中。TA31136的工作电压为1.8~5.5 V,它内部包含了一个输入中频信号为10~100 MHz的2ndIF混频器,一个噪声检测电路、一个高增益的限幅中频放大器和一个陶瓷,中周均可适用的积分鉴频器,另外该芯片还具有RSSI功能。由于该接收机采用两次下变频鉴频,第二次下变频和鉴频均可在TA31136中实现,因此本设计采用该鉴频芯片,鉴频器电路设计,如图7所示。

        第一次下变频由MAX2680产生的45.05 MHz的IF信号经过晶体滤波器滤除邻近的杂波信号,通过IF放大器放大后,从TA31136的Pin16进入,与由晶振产生的44.595 MHz信号进行混频产生455 kHz的第二中频信号。455 kHz的中频信号从Pin3输出经由陶瓷滤波器XF3滤波,再从Pin5进入IC,经IC内部的IF放大器放大后输入到积分鉴频器中进行解调,最后经过一个LPF输出语音信号。TA31136输出的音频信号一部分通过一个分压电路进入IC的Pin7和Pin8,通过IC内部的滤波器和放大器对其噪声分量进行放大、整流产生一个和噪声分量相对应的直流电压信号,直流电压信号与来自MCU内部设定好的电压值比较大小,MCU根据比较结果输出高低电压信号来控制TA31136的Pin14来实现接收信号时静噪的打开和关闭。

        图9为接收机鉴频出的基带信号,可以看到解调出的信号失真很小。该接收机通过测试,鉴频出的信号与原信号误差<1%,符合无线通信要求。改变输入调频信号的功率,测得当为-80 dBm时,能有鉴频信号输出,当再<-80 dBm时,不能鉴频,即为接收机的接收灵敏度。

2  结束语

        实际的DMR接收机制作在一块20 cm×10 cm的4层印制板上,表面敷铜到地,供电电压为5 V。由3SK318、MAX2680、MAX2620、MB15E03SL和TA31136构建的调频接收机具有受外界分布参数影响小、调试方便、成本低廉等特点,目前已成功应用在开发的DMR数字终端设备样机中。

继续阅读
压控振荡器的非线性特性如何理解?

压控振荡器Voltage Controlled Oscillator(简称VCO)是射频电路的重要组成部分,在通信、电子、航天、航空及医学等诸多领域的用途十分广泛,尤其在通信系统电路中更是与功放具有同等重要地位的必不可少的关键部件。

三种接收机的比较

今天比较三种常用接收机架构的优势和挑战—— 外差接收机 直接采样接收机 直接变频接收机 我们的意图并非要褒扬某种方案而贬抑其他方案,相反,本文旨在说明这些方案的优点和缺点,并鼓励大家按照工程准则选择最适合特定应用的架构。

GPS接收机灵敏度的分析

随着GPS 应用范围的不断扩展,对GPS 接收机的灵敏度要求也越来越高,高灵敏度的接收性能可以令接收机在室内或其它卫星信号较弱的场景下仍然能够实现定位和跟踪,大大拓展了GPS 的使用范围。

中频滤波器和镜像抑制滤波器简介

超外差接收机中的滤波器简介。

射频知识基础:三种接收机的介绍

关于接收机结构我们从最传统的超外差结构开始介绍。超外差结构能提供非常好的性能,但这种结构需要大量分离元件,像滤波器等。这种结构无法单芯片集成实现,因此出现了零中频,低中频接收机结构。