一種小型高頻無線收發系統的模塊化設計

    很長一段時間內,高頻電路的調試及其工作穩定度是困擾人們的一道難題。本文介紹一種採用高集成度收/發晶元及編/解碼晶元構成的高頻無線收發系統的模塊化設計方案。該方案採用了最新的硬體編/解碼電路實現了對載頻信號的直接調製與解調,大大簡化了用於產生FM 信號的控制邏輯,有效提高了收發系統的集成度。如今可以採用高標準、高品質的高頻傳輸迴路和編解碼晶元,運用固定工作模式,使所有RF 和IF 均在電路中自動完成,無須人工調諧,使得使用高頻收發電路就如同使用三極體一樣簡單。

1 　高頻無線收發系統的組成
    本文討論的高頻無線收發系統主要由四大模塊構成,其組成框圖如圖1 示。
 
圖1 　組成框圖

2 　編碼模塊
    編碼模塊採用Motorola 公司的高集成度晶元MC145026 。它的主要功能是將輸入的9 路三態(低電平、高電平、高阻) 數據或二態(低電平、高電平) 數據進行編碼,在接收到使能端信號(TE端) 為低電平有效后,以串列方式將數據發送出去,每一編碼數據發送2遍以增加安全性。其功能框圖如圖2 示。
 
圖2 　MC145026 功能框圖
　編碼晶元串列輸出的三態數據由輸入端A1～A5和A6/D6～A9/D9 引腳三態數據確定。發送時序從TE 引腳送入一個低電平開始。上電后,只要TE 端維持低電平,該晶元就可以連續發送數據。然後,發送時序在上電最初是沒有數據輸出的,因為這是無效的。時序圖見圖3 。
 
圖3 　時序圖
    每位被發送的三態數據由輸入脈衝的編碼確定。圖3 中邏輯0 (低電平) 是用2 個連續的短脈衝表示的;邏輯1 (高電平) 用2 個連續的長脈衝表示;開路(即高阻狀態) 用1 個長脈衝後面跟1 個短脈衝表示。長脈衝寬度約4 個振蕩周期,短脈衝寬度約1 個振蕩周期。晶元振蕩周期由外接RS、CTS 和RTC 這3 個元件的參數RS、CTS、RTC 確定( 見表1 ) 。當TE 端為低電平,振蕩器起振,發送時序也隨即開始,這樣輸入9位數據被逐一選通,最後經DOUT 端作為調製信號串列輸出到發射模塊輸入端。
 

3 　解碼模塊
    解碼模塊採用與編碼模塊對應的Motorola 公司的MC145027 晶元,它的工作過程與編碼晶元相反,其功能框圖如圖4 所示。
 
圖4 　MC145027 功能框圖
    MC145027 晶元的工作原理是:在接收期間,解碼模塊對從接收模塊接收到的串列數據輸入編碼(DIN端) 進行逐位檢驗。第1 遍發送的數據編碼字的前5位三態數據被認為是地址碼,若這一接收到的地址碼與晶元本地地址碼(A1～A5) 相吻合,則數據編碼的另外4 位三態數據被片內保存,但不送至片內輸出鎖存器(即此時D6～D9 無輸出) ;當第2 遍發送的數據編碼字被接收到,地址位必須再次吻合,接收到的新數據還必須與前一次接收到的數據相吻合,這樣2 次接收到的相同數據才能送到輸出鎖存器輸出,並保持到下次新數據到來時,以置換前一個數據(即此時D6～D9端有輸出) ,這就是所要得到的數據。同時,有效輸出端VT 維持為高電平,直到錯誤信息被接收到或超過4 個數據周期(32 個振蕩周期) 未有輸入信號被接收到時。需要說明的是,儘管編碼地址信息是三態的,但由於數據只用1 或0 表示,故高阻態數據解碼后被認為是邏輯1 。另外,圖4 中R1 與C1 、R2 和C2 是外接時間常數電路,其中R1C1 = 3.95 RTCCTS ,用來判定接收到的是寬脈衝還是窄脈衝(即判定編碼狀態) ;時間常數R2C2 = 77RTCCTS ,用來檢測接收數據編碼的結束端和發射過程結束端。

4 　FM發射模塊
    FM 發射模塊採用Motorola 公司的MC2833 晶元,它是單片集成的FM 發射器,內部集成有話筒放大器、壓控振蕩器(VCO) 和2 個備用晶體管。其功能框圖如圖5 所示。
 
圖5 　MC2833 功能框圖
    晶元的引腳15 與引腳16 之間有一個參考源射頻振蕩器,它是一個內偏置的考比茲電路;應用時可在引腳1 與引腳16 之間外接基音晶體構成晶振,也可接普通的LC 振蕩器。振蕩信號經內置緩衝器(同時作為三倍頻產生射頻載波) 從引腳14 輸出。由於從引腳14 輸出的射頻信號功率小(約-30 dBmW) ,故可用2個片內集成的晶體管作為射頻放大器,經兩級放大以提高輸出功率(可達10 dBmW) 。引腳3 即調製輸入端,前面討論的編碼晶元產生的三態數據串列碼就是從此引腳輸入,作為調製信號直接調製振蕩信號,形成FM 射頻信號輸出,經小天線向外輻射,構成無線發射。注意到該晶元還可以利用語音信號作為調製信號(接在引腳4 與引腳5 之間) ,說明該晶元可用於無線電通信設備中。
    該晶元具有如下特點:電源電壓範圍寬,為2.8 V～9.0 V ;功耗電流小,典型值為ICC = 2.9 mA ;射頻輸出端輸出功率為- 30 dBmW ,若用片內晶體管作為射頻放大器,則輸出功率可達10 dBmW;所需外圍元件少。

5 　FM接收模塊
    FM 接收模塊同樣採用Motorola 公司的MC3363 晶元。它是一個高集成度單片FM 窄帶接收機(從射頻放大器到音頻前置放大器輸出) 。其特點是:輸入頻帶寬,使用內部本地振蕩器時為200 MHz ,使用外部本地振蕩器時為450 MHz ; 具有射頻放大器晶體管; 是完整的雙變頻系統; .工作電壓低, VCC = 2.0V～7.0 V ;功耗電流小, VCC = 3.0 V 時, ICC = 3.6 mA(典型值) ,不包括射頻放大器晶體管;靈敏度高,使用內部射頻放大器晶體管,信噪比為12 dB 時,輸入典型值為0.3μV ;具有數據限幅比較器;接收信號強度指示器(RSSI) 動態範圍為60 dB ;所需外圍元件少。其功能框圖如圖6 所示。
 
圖6 　MC3363 功能框圖
    在實際應用中,從引腳1 和引腳28 輸入的射頻信號經片內射頻晶體管放大后,再經第一混頻器放大並變頻為10.7 MHz 中頻信號,該中頻信號從引腳23 輸出經外部濾波之後,輸入至片內第二混頻器(引腳21和引腳22) 進一步放大並變頻為455 kHz 的低中頻信號。該信號從引腳7 輸出,經過外部帶通濾波器輸入至片內限幅放大器(引腳9 輸入) 及檢波電路。用普通的正交檢波器恢復出調製信號。表頭驅動電路檢測限幅放大器中的限幅器,從而監控輸入信號電平。表頭驅動(引腳12) 處的電壓決定載波檢測輸出的狀態,該狀態低電有效。晶元內有一靜噪運算放大器,可用載波檢測輸出端(引腳13) 來觸發,從而構成一個載波電平觸發的靜噪電路,在所需輸入頻率上,當射頻輸入電平低於某一預置電平值時,該電路被激活。發聲觸發的靜噪電路中,作為有源雜訊濾波器。這種用法不佔用表頭驅動端,此時該端可以用做信號強度檢測。

6 　結束語
    本文所介紹的高頻無線收發系統在現今的通信領域尤其是無線通信領域的應用非常廣泛。所採用的晶元均是Motorola 公司無線通信產品,它們已廣泛應用於無繩電話和其他調頻通信設備中。該高頻無線收發模塊集成度高、性能穩定、應用靈活,可應用於小型尋呼系統,即在大型農場、醫院、倉庫或大公司中利用基站(無線發射機) 與小型尋呼機時,微型發射機發出報警信號,微型接收機收到后可提醒報警。本文所介紹的設計方案能夠適應實際應用的需要,具有較廣泛的應用前景。