UHF频段无线收发信机前端设计

摘要：为了提高现代工厂设备的调度效率，降低仪器仪表等测控数据的传输成本，压缩设备体积等。利用收发芯片TH7122和分离器件相结合的方式设计了一款通信频段为438～470 MHz的无线音／数两用小型收发信机。数字调制方式采用MSK调制，同时可切换到音频模式。其中接收机采用超外差一次变频结构，结合PIN管带通调频滤波器和外接LNA，用于镜像抑制和降低噪声。发射部分采用晶振拉动的方式间接调制VCO输出，经过芯片内部放大、外接功率驱动电路和功率放大电路将发射功率增至5 W，再经谐波滤波发射。经过仿真实验，输出功率5W，中频10.7 MHz，接收灵敏度为-110 dB，镜像抑制40 dB，均达到设计要求。
关键词：UHF频段；收发信机；低澡声放大器(LNA)；T／R开关

随着无线通讯技术的飞速发展，在现代测控技术中越来越多地采用无线技术来传输各种测控仪表数据。现代化智能工厂的各种大型设备中均有大量的测控数据需要及时与总控设备交换信息，以保证各项生产安全、有效地运行。无线传输具有架设容易、组网方便灵活、成本低廉等显著优势，已成为此种应用的首选方案。而UHF频段具有通信视距远、传播路径干扰少等特点，同时具有大量无需登记就可使用的ISM频段，从而在民用低成本无线通讯中具有广泛的应用。本文正是基于这些优势在438～470 MHz频段设计了一款音／数两用收发信机，可组网使用，其发射功率最大可达5 W，通信视距达公里以上，可完全满足工厂各项测控数据和命令的音／数信号传输，提高了工厂的生产效率和现代化程度。

1 收发机原理系统设计
无线收发信机中接收机大体上可分为超外差结构、零中频结构和数字中频接收机等，如图1所示。其中超外差结构是指将接收到的射频信号于本地振荡器产生的信号进行混频，然后利用滤波器取出两者的差值作为中频信号，可根据系统的需要进行一次或多次混频。混频的次数和中频信号的选取要结合中频滤波器的设计和镜像抑制、信号带宽、噪声等综合考量设计。

发射部分由于数字的MSK调制也是在音频范围内实现，所以采用音频信号通过调制锁相环的参考晶体振荡器的外接变容二极管电容来实现，通过电容的改变拉动锁相环参考频率的改变，从而间接控制VCO的输出改变，实现调制功能。
数字调制部分采用了MSK方式进行调制，MSK调制称为最小频移键控，是一种特殊形式的FSK调制，其频差是满足两个频率相互正交的最小频差，并要求FSK信号的相位连续。其频差△f=f2-f1。由于要传输的测控数据速率较低，MSK调制直接采用芯片MX469实现。选用1 200 Hz和1 800 Hz组合作为MSK调制的2个输出信号。
为达到设计的小型化和低成本，设计中采用市场上成熟的无线收发芯片结合外部电路实现。收发芯片采用TH7122，它具有一次变频和内置锁相环，同时集成1个低噪声放大器和解调单元，可通过向内部寄存器写入数据改变锁相环的输出频率，满足接收时混频本振源和发射时载波的产生。
由于芯片只能进行一次混频，中频为了易于选择通用器件定为10．7 MHz，这就造成镜像信号难以抑制。为此设计中采用加入PIN电调滤波器抑制镜像信号和对信道预选。对于二端口级联系统，噪声计算公式为：

由此可知若第一级增益较大则级联系统噪声主要由第一级LNA的噪声决定。对于滤波器等损耗性电路，其损耗就噪声系数。因此前述的在内部LNA前加入PIN滤波器和谐波滤波器恶化了系统噪声，在滤波器之前加入一级外接LNA，使其有高增益和低噪声，这样系统噪声就主要有外部LNA和谐波滤波器损耗决定。
接收灵敏度是收发机的一项主要指标，它与信道带宽B，噪声系数NF，信号调制类型的调制特性函数KM等有如下关系：

当信道带宽为30 kHz，模拟调制所需信纳比KM为10 dB，NF为5 dB时，计算得到灵敏度为-112 dB。理论值高于要求的灵敏度指标。