調(diào)頻掃描接收機(jī)的設(shè)計(jì)

摘 要:該系統(tǒng)基于超外差接收原理，采用二次變頻窄帶調(diào)頻接收電路MC13135，由DDS集成芯片AD9851構(gòu)成的本振源模塊、靜噪電路模塊、音頻功率放大及音量控制等模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)頻率在25MHz左右的調(diào)頻掃描，其中能鎖定的輸入信號(hào)可以小于10uV，具有10個(gè)信道和20個(gè)信道兩種模式，每種模式下可以設(shè)置工作在任一信道，也可以所有信道自動(dòng)循環(huán)掃描工作。

關(guān)鍵詞:超外差二次變頻接收; 本機(jī)振蕩; 混頻器; 靜噪控制;RSSI

中圖分類號(hào):TN851

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)09-0305-02

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證

本系統(tǒng)采用超外差二次變頻接收方式，將射頻信號(hào)進(jìn)行二次混頻，變頻到頻率較低的中頻信號(hào)，中頻濾波放大后再通過(guò)鑒頻器，便可以解調(diào)出音頻信號(hào)。超外差的主要優(yōu)點(diǎn)是:

(1)系統(tǒng)增益分配在不同的頻段，適當(dāng)設(shè)計(jì)射頻、中頻和低頻的增益，可以使系統(tǒng)達(dá)到極高的增益，同時(shí)能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定;

(2)具有較高的選擇性和較好的頻率特性，只需通過(guò)改變本振頻率便可以將接收的高頻信號(hào)放大調(diào)諧在不同的通頻帶，實(shí)現(xiàn)不同載頻信號(hào)的接收;

(3)容易調(diào)整。

隨著集成電路的發(fā)展，已經(jīng)具有很多基于超外差原理的窄帶調(diào)頻的單片集成電路。本系統(tǒng)采用二次變頻單片窄帶調(diào)頻集成電路MC13135，它內(nèi)含振蕩器、VCO變?nèi)菡{(diào)諧二極管、低噪聲第一和第二混頻器及LO、高性能限幅放大器、RSSI等，可以較好的在接收頻段內(nèi)抑制鏡頻干擾等，達(dá)到很好的接收效果。其中限幅器提供了 110dB 的增益，對(duì)數(shù)特性 RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)電路具有 75dB 的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)RSSI信號(hào)采樣和判斷，可以檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)靜噪功能的控制。

1.1 系統(tǒng)振蕩器方案選擇

MC13135的第一本機(jī)振蕩器可以選擇晶體或VCO方式，也可以利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)提供本機(jī)振蕩信號(hào)。采用DDS專用集成芯片AD9851，該芯片可將一個(gè)高穩(wěn)定度晶體振蕩器產(chǎn)生的高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)DDS技術(shù)處理，產(chǎn)生高穩(wěn)定度和高精確度的大量離散頻率。AD9851具有轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高、換頻速度快、頻帶寬等特點(diǎn)，且輸出信號(hào)頻率和幅度穩(wěn)定性高。

AD9851內(nèi)置32位頻率累加器、10bit高速DAC、高速比較器和可軟件選通的時(shí)鐘6倍頻電路。外接參考頻率源，AD9851可以產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩(wěn)定度非常高的正弦波，可以直接做為本振源。

1.2 靜噪方案選擇

無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，MC13135的鑒頻解調(diào)器輸出幅度較大的白噪聲，經(jīng)音頻放大器后輸出很大的噪聲，因此需要接入靜噪控制電路。

本系統(tǒng)采用載波靜噪方式。MC13135給出了接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)，此信號(hào)可用作載波檢測(cè)靜噪。RSSI信號(hào)與輸入信號(hào)在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，用ADC采樣RSSI信號(hào)，只需通過(guò)判斷RSSI信號(hào)大小確定輸入信號(hào)強(qiáng)度，無(wú)信號(hào)輸入時(shí)或輸入信號(hào)強(qiáng)度較弱，RSSI信號(hào)較小，從而實(shí)現(xiàn)靜噪控制功能。

2 系統(tǒng)總體方框圖

系統(tǒng)總體原理框圖如右圖1所示。本接收機(jī)系統(tǒng)以單片機(jī)和FPGA為控制核心，核心器件為MC13135，其內(nèi)部已經(jīng)集成了高放、混頻、限幅器、鑒頻器、功放等基本電路，只需外加少量相應(yīng)器件就可以完成。

3 理論分析

3.1 超外差二次變頻接收原理

若接收機(jī)射頻電路里有兩個(gè)混頻電路，則為超外差二次變頻接收機(jī)。首先將接收到的信號(hào)由高頻低噪聲放大器放大，并和AD9851產(chǎn)生的第一本振信號(hào)進(jìn)入第一混頻器，得到第一中頻信號(hào)?；祛l器的主要功能是將經(jīng)過(guò)射頻放大的信號(hào)和本地振蕩產(chǎn)生的本振信號(hào)相乘，得到上下變頻信號(hào)。第一中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)陶瓷濾波器進(jìn)行濾波和放大后，與由晶振構(gòu)成的第二本機(jī)振蕩信號(hào)混頻，得到第二中頻。第二中頻信號(hào)經(jīng)陶瓷濾波選頻后，輸入限幅器進(jìn)行高增益放大，再進(jìn)行鑒頻器解調(diào)，最后經(jīng)過(guò)音頻放大器輸出音頻信號(hào)。

調(diào)頻波的解調(diào)稱為頻率檢波，即從已調(diào)波中檢出反映在頻率變化上的調(diào)制信號(hào)。鑒頻電路是一個(gè)將輸入調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率變換為相應(yīng)解調(diào)輸出電壓的變換器。一般必須在鑒頻前加一限幅器以消除寄生調(diào)幅，保證加到鑒頻器上的調(diào)頻電壓等幅。限幅器的增益設(shè)計(jì)得很高而且工作十分穩(wěn)定，這就使得超外差接收機(jī)不論對(duì)強(qiáng)信號(hào)還是弱信號(hào)，都能做到基本相同的放大倍數(shù)，也正是因?yàn)椴捎昧酥蓄l放大器，它的放大倍數(shù)可以達(dá)到很大，也就使電路的接收靈敏度大大提高。MC13135的接收靈敏度可達(dá)到1uVrms，可以滿足接收機(jī)鎖定的輸入信號(hào)小于10uV的要求。

3.2 DDS原理

下圖2為DDS原理框圖，其工作原理是:每個(gè)參考頻率fs上升沿到來(lái)時(shí)，N位的相位累加器的值便按照頻率控制字K的長(zhǎng)度增加一次，所得相位值被輸出至正弦查找表，查找表將相位信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的正弦幅度值，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)過(guò)低通濾波器對(duì)階梯波進(jìn)行平滑，得到連續(xù)變化的模擬輸出波形。在fs和N一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。

DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為:fout=fs*K/2N，頻率分辨率為:△f=fs/2N。

4 主要硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 超外差二次變頻接收電路

第一本振采用AD9851產(chǎn)生本振信號(hào)直接輸入MC13135的Pin1引腳。為了盡量提高接收靈敏度，載頻FM輸入信號(hào)經(jīng)OPA847進(jìn)行預(yù)放大后從MC13135的Pin22輸入，在內(nèi)部第一混頻級(jí)進(jìn)行混頻，其差頻10.7MHz第一中頻信號(hào)由Pin20輸出，經(jīng)107PF的陶瓷濾波器選頻后由pin18送到內(nèi)部的第二混頻電路。內(nèi)部的振蕩電路及Pin5和Pin6的外接晶體和電容構(gòu)成了第二本振級(jí)，選用頻率為10.245MHz的10.7MHz第一中頻信號(hào)與第二本振頻率進(jìn)行混頻，其差頻為:10.700-10.245=0.455MHz，也即455kHz第二中頻信號(hào)。

第二中頻信號(hào)由Pin7輸出，由455kHz陶瓷濾波器選頻，再經(jīng)Pin9送入MC13135的限幅放大器進(jìn)行高增益放大，限幅放大級(jí)是整個(gè)電路的主要增益級(jí)。Pin13的外接LC元件組成455kHz鑒頻諧振回路，經(jīng)放大后的第二中頻信號(hào)在內(nèi)部進(jìn)行鑒頻解調(diào)，并經(jīng)一級(jí)音頻電壓放大后由Pin17輸出音頻信號(hào)。輸出端接入一階無(wú)源RC濾波器， 使3kHz以上音頻信號(hào)按每倍頻程約6dB衰減。

MC13135內(nèi)部還置有一級(jí)數(shù)據(jù)信號(hào)放大級(jí)，Pin12為RSSI輸入端，Pin15為運(yùn)算放大級(jí)的輸入端，Pin16為RSSI緩沖放大的輸出端。Pin10和Pin11接退耦電容，以保證電路穩(wěn)定地工作。

4.2AD9851構(gòu)成的第一本振源電路

本系統(tǒng)接收信號(hào)頻率范圍在25MHz左右，第一中頻為10.7MHz，當(dāng)為20個(gè)信道模式時(shí)，信道間隔為100KHz，此時(shí)AD9851僅需要產(chǎn)生13MHz到15MHz左右的本振信號(hào)。AD9851外接25MHz晶振，內(nèi)部工作時(shí)鐘達(dá)到150MHz，根據(jù)DDS原理，完全能夠產(chǎn)生高于15MHz的正弦信號(hào)，而且此時(shí)頻率分辨率為0.035Hz，信道間頻率可步進(jìn)調(diào)節(jié)。

4.3 音量控制及功率放大電路

采用電子音量控制集成電路PGA2310作音量控制，控制十分精確，頻率可以0.5dB步進(jìn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為-95.5dB~31.5dB，其信噪比為120dB，失真度為0.0004%，聲道分離度為126dB，且具有軟件靜音功能。PGA2310輸出信號(hào)一路經(jīng)過(guò)高電壓高電流運(yùn)放OPA551構(gòu)成的跟隨器連接50歐姆負(fù)載。OPA551最大輸出電流可以達(dá)到200mA。PGA2310另一路輸出信號(hào)輸入高效D類放大器TPA2001，驅(qū)動(dòng)8歐姆的揚(yáng)聲器，最大輸出功率可以達(dá)到1W，其增益由pin4和pin5控制，GAIN0和GAIN1接地時(shí)增益為6。TPA2001功耗小，性價(jià)比高。

4.4 靜噪控制電路

采樣MC13135的RSSI信號(hào)，檢測(cè)RSSI信號(hào)大小以確定輸入信號(hào)的有無(wú)或者強(qiáng)弱，當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入或輸入信號(hào)強(qiáng)度非常弱時(shí)，通過(guò)PGA2310軟件靜音功能關(guān)斷揚(yáng)聲器，即實(shí)現(xiàn)了靜噪控制功能。RSSI信號(hào)的AD采樣電路請(qǐng)見(jiàn)下圖5。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)和FPGA為控制核心，單片機(jī)控制輸入輸出和界面顯示，系統(tǒng)各硬件模塊的控制及功能模塊的實(shí)現(xiàn)主要在FPGA中完成。系統(tǒng)軟件的總體功能主要是完成分別在兩種工作模式下的調(diào)頻掃描接收的控制。主程序流程如下圖6所示。當(dāng)設(shè)置某單一信道工作，控制AD9851產(chǎn)生的本振信號(hào)頻率在相應(yīng)信道對(duì)應(yīng)的工作頻率范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)掃頻，通過(guò)對(duì)RSSI信號(hào)的檢測(cè)確定信號(hào)的有無(wú)及有信號(hào)時(shí)的最佳接收狀態(tài)。當(dāng)信道間循環(huán)掃描時(shí)，先通過(guò)對(duì)各信道進(jìn)行粗掃，一旦檢測(cè)到某信道有信號(hào)，則通過(guò)對(duì)該信道進(jìn)行細(xì)掃來(lái)找到最佳接收狀態(tài)。每接收到信號(hào)，軟件會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)相應(yīng)電臺(tái)。系統(tǒng)軟件還通過(guò)對(duì)PGA2310的控制實(shí)現(xiàn)了音量控制功能和靜噪控制功能。

6 測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

6.1 測(cè)試儀器及型號(hào)

數(shù)字合成高頻信號(hào)發(fā)生器 SP1461

數(shù)字示波器TDS1002

高頻毫伏表DA22A

6.2 測(cè)試方法及結(jié)果

6.2.1 功能測(cè)試

(1)檢測(cè)信道。先將本接收機(jī)設(shè)置工作在10個(gè)信道模式，從高頻信號(hào)源輸入20uV的調(diào)頻波，用示波器觀察音頻輸出信號(hào)，波形無(wú)明顯失真，解調(diào)正確，LCD上顯示正確的信道標(biāo)號(hào)。依次間隔32kHz改變調(diào)頻波的載頻，使調(diào)頻波的載頻分別處在10個(gè)信道中，測(cè)試LCD能夠正確顯示10個(gè)信道標(biāo)號(hào)和對(duì)應(yīng)的工作頻率，如表1所示。并且記錄掃描工作時(shí)，每個(gè)信道停留時(shí)間不小于2s，不大于5s。同理可以檢測(cè)20個(gè)信道的模式。

信道，設(shè)置接收機(jī)掃描工作，當(dāng)掃描到該頻率信號(hào)時(shí)，本接收機(jī)停止掃描，處在接收狀態(tài)。手動(dòng)繼續(xù)掃描按鈕，接收機(jī)繼續(xù)向下一個(gè)信道掃描。

(3)檢測(cè)靜噪控制功能。選擇靜噪控制按鈕，有較強(qiáng)信號(hào)輸入時(shí)，揚(yáng)聲器有音頻信號(hào)輸出，用示波器測(cè)試50歐姆負(fù)載上有音頻信號(hào)。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，或有十分微弱的信號(hào)輸入，揚(yáng)聲器完全沒(méi)有聲音，50歐姆負(fù)載上無(wú)信號(hào)。因此本接收機(jī)具有靜噪控制功能。當(dāng)斷開(kāi)靜噪控制按鈕，無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出“嘩”的聲音，50歐姆負(fù)載上檢測(cè)到較大的噪聲信號(hào)。因此，斷開(kāi)靜噪控制按鈕，本接收機(jī)能夠處在不靜噪狀態(tài)。

(4)本接收機(jī)還具有實(shí)時(shí)指示接收信號(hào)強(qiáng)度、自動(dòng)搜臺(tái)和存儲(chǔ)電臺(tái)的功能。

6.2.2 指標(biāo)測(cè)試

(1)在每個(gè)信道輸入標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)(幅度1mV，頻偏3kHz)時(shí)，用示波器檢測(cè)50Ω負(fù)載上音頻輸出電壓峰-峰值，波形無(wú)明顯失真，表2為結(jié)果測(cè)試數(shù)據(jù)。

(3)測(cè)量音頻響應(yīng)及去加重性能。在每個(gè)信道，高頻信號(hào)源的輸出載波值調(diào)整到幅度1mV頻偏3kHz，分別用300Hz、1000Hz、3000Hz音頻調(diào)制，在50 Ω負(fù)載上，測(cè)出接收機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出音頻電壓，觀察其平坦度。分別用4kHz、6kHz、12kHz音頻調(diào)制，測(cè)出接收機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出音頻電壓Vpp，觀察其衰減情況，并畫(huà)出曲線(對(duì)數(shù)坐標(biāo))。表4為對(duì)應(yīng)信道5測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)曲線如圖7所示。

6.3 測(cè)試結(jié)果分析

本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能和性能達(dá)到較高的性能指標(biāo)。從音頻響應(yīng)和去加重特性的測(cè)試圖表來(lái)看，調(diào)制頻率在300Hz至3kHz內(nèi)輸出音頻電壓大致平坦，符合實(shí)際理論效果，3kHz以上每倍頻程約6dB衰減。但3kHz處有少許衰減，這是因?yàn)橛捎贛C13135內(nèi)部的中頻濾波特性使音頻信號(hào)直接解調(diào)出來(lái)后就已經(jīng)存在了少許衰減特性，同理也導(dǎo)致一階無(wú)源RC濾波器在3kHz以上可以接近每倍頻程6dB衰減。

7 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)接收靈敏度理論可達(dá)到1uVrms，具有較高的選擇性和較好的頻率特性還可指示接收信號(hào)強(qiáng)度、自動(dòng)搜臺(tái)和存儲(chǔ)電臺(tái)，但同時(shí)也存在一些特殊干擾，如鏡像干擾、中頻干擾等。其中MC13135的應(yīng)用大大降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，它將大部分電路集成在一起，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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