DMR終端鎖相調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

2004年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)提出新型數(shù)字集群通信系統(tǒng)DMR(Digital Mobile Radio)，DMR系統(tǒng)與TETRA和iDEN系統(tǒng)相比具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)勢，已經(jīng)開始受到國內(nèi)外各大集群設(shè)備生產(chǎn)廠商的高度重視。因此，文中提出一種專門針對DMR系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計(jì)，對射頻信號采用兩次下變頻，先后得到45．05 MHz和455 kHz的兩個(gè)中頻信號，最后再由鑒頻芯片TA31 136解調(diào)得到語音信號。本方案具有成本低，性能良好，接收分辨率高，覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用在我們開發(fā)的DMR數(shù)字終端設(shè)備上。

1 本接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案
??? 其中兩個(gè)BPF均為分立元件搭建、陶瓷濾波器。MCF采用成品元件、IF AMP為三極管搭建，在此不進(jìn)行詳述。下面主要對各重要模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。

??? (1)低噪放LNA的電路設(shè)計(jì)。
??? 本接收機(jī)用于實(shí)際批量產(chǎn)品，處于降低成本的考慮，低噪放LNA采用MOS管3SK318及外圍電路來實(shí)現(xiàn)，其電路圖，如圖2所示。

??? 通過調(diào)節(jié)3SK318的偏執(zhí)電路，當(dāng)供電電壓為5 V時(shí)，上圖中有V1=4．91 V，V2=4．81 V，V3=0．99 V，V4=2．0 V，此時(shí)LNA的放大增益為20 dB。
??? (2)接收機(jī)本振鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)。
??? 本接收機(jī)的本振由MAX2620和MB15E03L所組成的鎖相環(huán)頻率合成器來提供。Maxim公司的MAX2620是一種使用非常方便的振蕩器芯片，其內(nèi)部組成，如圖3(a)所示。MAX2620提供一個(gè)緩沖放大輸出級，能夠減少負(fù)載變化對振蕩器頻率的影響，供電電壓范圍為2．7～5．25 V，內(nèi)部設(shè)有偏置電路以穩(wěn)定其工作點(diǎn)，使工作受電源波動的影響減小，并具有電源關(guān)斷能力，由SHDN端控制。兩個(gè)互補(bǔ)的輸出(OUT與OUT)可以構(gòu)成兩個(gè)單端輸出或是一個(gè)差分輸出，MAX2620采用雙極技術(shù)，輸出為集電極開路，因此輸出需要上拉電阻。針對不同的負(fù)載兩相輸出功率分別可達(dá)-2 dBm和-10 dBm，在本設(shè)計(jì)中OUT輸出已調(diào)頻信號，OUT輸出作為PLL反饋頻率供鑒相使用。

??? 壓控振蕩器的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的Colpitts共射串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以工作在很寬的頻率范圍內(nèi)以滿足系統(tǒng)寬帶要求。MAX2620采用雙極設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其交流小信號等效電路，如圖3(b)所示，其中電容C1，C2，寄生電容Cp1、Cp2及跨導(dǎo)gm決定了振蕩器的輸入阻抗為
???
??? Colpitts振蕩器就是利用“負(fù)阻”原理實(shí)現(xiàn)振蕩的。得到有源電路的輸入阻抗及單端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)S11之后，構(gòu)建與有源部分相對應(yīng)的LC諧振槽路。VCO整體結(jié)構(gòu)，如圖4中MAX2620部分所示。搭建VCO后，測量得到VCO振蕩頻率范圍為：420～470

? Colpitts振蕩器就是利用“負(fù)阻”原理實(shí)現(xiàn)振蕩的。得到有源電路的輸入阻抗及單端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)S11之后，構(gòu)建與有源部分相對應(yīng)的LC諧振槽路。VCO整體結(jié)構(gòu)，如圖4中MAX2620部分所示。搭建VCO后，測量得到VCO振蕩頻率范圍為：420～470 MHz@0～4 V，調(diào)制靈敏度為12．5 MHz／V，并且線性度良好。MAX2620內(nèi)部集成了VCO緩沖放大輸出級，能夠減少負(fù)載變化對振蕩器振蕩頻率的影響。輸出以提升電感和串聯(lián)電容匹配至50Ω負(fù)載，OUT端只需50Ω提升電阻并耦合反饋至頻率合成器即可。

? 完成VCO后根據(jù)所選路的PLL頻率合成芯片設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器。PLL頻率合成芯片MB15E03SL是Fujitsu公司生產(chǎn)的串行輸入吞脈沖PLL頻率合成器，最高支持1．2 GHz的工作頻率，內(nèi)部集成了低噪聲數(shù)字鑒相器，可設(shè)置雙模比例因子M／M+1，14 bit可編程參考分頻比R及18 bit的可編程N(yùn)分頻器，芯片提供非常簡單的三線SPI串行輸入設(shè)定上述各項(xiàng)參數(shù)得到所需頻率，輸出頻率計(jì)算式為
???

??? MB15E03SL其他參數(shù)詳見數(shù)據(jù)手冊，鎖相環(huán)頻率合成器設(shè)計(jì)原理圖，如圖4所示。

??? 根據(jù)系統(tǒng)要求：信道間隔12．5 kHz，容差±2 ppm，鎖定時(shí)間<4 ms，根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算得環(huán)路帶寬必須滿足Fc≥1．6 kHz。由于增大環(huán)路帶寬可以減小鎖定時(shí)間，而環(huán)路太寬則會嚴(yán)重影響相位噪聲，并且一般要求Fc不超過比較頻率FPD的1／5，選擇Fc=2．5．kHz。在VCO調(diào)制靈敏度等于20 MHz／V，電荷泵增益選擇為Kφ=±1．5 mA，比較頻率fPD=1 2．5 kHz，輸出頻率范圍為420～470 MHz，環(huán)路濾波帶寬Fc=2．5 kHz，相位裕量φ=48°，環(huán)路濾波極點(diǎn)比T3／T1=45％，參考輸入頻率13 MHz的條件下計(jì)算環(huán)路濾波器的各項(xiàng)參數(shù)。得到環(huán)路濾波器參數(shù)為：R_LF1=3．3 kΩ，R_LF2=5．6 kΩ，C_LF1=4．7 nF，C_LF2=47 nF，C_LF3=2．2 nF 。理論計(jì)算結(jié)果表明，在此環(huán)路條件下鎖相環(huán)鎖定時(shí)間Lock-time=1．3 ms，相位噪聲能達(dá)到PN=-94．07 dBe／Hz@10 kHz，環(huán)路帶寬Fc=2．56 kHz，相位裕量為39．52°，已經(jīng)能夠達(dá)到系統(tǒng)需求，根據(jù)此環(huán)路濾波條件建立調(diào)頻鎖相環(huán)原理圖，如圖4所示。圖5為鎖相環(huán)430 MHz時(shí)的雜波測試圖。

??? (3)下變頻混頻器電路設(shè)計(jì)。
??? Maxim公司的MAX2680是一低功耗、低噪聲系數(shù)，專門適用于低電壓操作的下變頻混頻器。它的適用頻率為400～2 500 GHz，供電電壓為2．7～5．5 V，具有較高的三階輸入截止點(diǎn)(IIP3在2 450 MHz)和<0．1μA的低功率關(guān)閉模式，是手持通信設(shè)備的理想器件，因此本設(shè)計(jì)采用此芯片。電路設(shè)計(jì)，如圖5所示。
??? 本接收機(jī)采用兩次下變頻進(jìn)行鑒頻，MAX2680為第一次下變頻，產(chǎn)生一個(gè)45．05 MHz的中頻信號。／SHDN為開關(guān)控制使能端，當(dāng)為低電平時(shí)芯片不工作，當(dāng)為高電平時(shí)芯片正常工作。接收的RF信號范圍為400～450MHz，滿足MAX2680的適用范圍，本振信號L0由鎖相環(huán)混頻器產(chǎn)生。理論上，當(dāng)RF為400 MHz，L0為445 MHz時(shí)，混頻的增益為11 dB；而實(shí)際測量：當(dāng)RF為405 MHz，功率為－48 dBm，L0為450．05 MHz，功率為－16 dBm時(shí)，輸出IF為45．05 MHz，功率為-54 dBm。滿足后續(xù)模塊(鑒頻芯片TA31136對輸入信號的要求)對功率信號的要求。

(4)鑒頻器的電路設(shè)計(jì)。
??? TA31136是一個(gè)低電壓操作的FM中頻檢測芯片，它主要適用于無線電話機(jī)中。TA31136的工作電壓為1．8～5．5 V，它內(nèi)部包含了一個(gè)輸入中頻信號為10～100 MHz的2ndIF混頻器，一個(gè)噪聲檢測電路、一個(gè)高增益的限幅中頻放大器和一個(gè)陶瓷，中周均可適用的積分鑒頻器，另外該芯片還具有RSSI功能。由于該接收機(jī)采用兩次下變頻鑒頻，第二次下變頻和鑒頻均可在TA31136中實(shí)現(xiàn)，因此本設(shè)計(jì)采用該鑒頻芯片，鑒頻器電路設(shè)計(jì)，如圖7所示。

??? 第一次下變頻由MAX2680產(chǎn)生的45．05 MHz的IF信號經(jīng)過晶體濾波器濾除鄰近的雜波信號，通過IF放大器放大后，從TA31136的Pin16進(jìn)入，與由晶振產(chǎn)生的44．595 MHz信號進(jìn)行混頻產(chǎn)生455 kHz的第二中頻信號。455 kHz的中頻信號從Pin3輸出經(jīng)由陶瓷濾波器XF3濾波，再從Pin5進(jìn)入IC，經(jīng)IC內(nèi)部的IF放大器放大后輸入到積分鑒頻器中進(jìn)行解調(diào)，最后經(jīng)過一個(gè)LPF輸出語音信號。TA31136輸出的音頻信號一部分通過一個(gè)分壓電路進(jìn)入IC的Pin7和Pin8，通過IC內(nèi)部的濾波器和放大器對其噪聲分量進(jìn)行放大、整流產(chǎn)生一個(gè)和噪聲分量相對應(yīng)的直流電壓信號，直流電壓信號與來自MCU內(nèi)部設(shè)定好的電壓值比較大小，MCU根據(jù)比較結(jié)果輸出高低電壓信號來控制TA31136的Pin14來實(shí)現(xiàn)接收信號時(shí)靜噪的打開和關(guān)閉。

??? 圖9為接收機(jī)鑒頻出的基帶信號，可以看到解調(diào)出的信號失真很小。該接收機(jī)通過測試，鑒頻出的信號與原信號誤差<1％，符合無線通信要求。改變輸入調(diào)頻信號的功率，測得當(dāng)為-80 dBm時(shí)，能有鑒頻信號輸出，當(dāng)再<-80 dBm時(shí)，不能鑒頻，即為接收機(jī)的接收靈敏度。

3 結(jié)束語
??? 實(shí)際的DMR接收機(jī)制作在一塊20 cm×10 cm的4層印制板上，表面敷銅到地，供電電壓為5 V。由3SK318、MAX2680、MAX2620、MB15E03SL和TA31136構(gòu)建的調(diào)頻接收機(jī)具有受外界分布參數(shù)影響小、調(diào)試方便、成本低廉等特點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用在開發(fā)的DMR數(shù)字終端設(shè)備樣機(jī)中。