调频扫描接收机的设计

【前言】调频扫描接收机的设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 系统总体方案设计与论证 本系统采用超外差二次变频接收方式,将射频信号进行二次混频,变频到频率较低的中频信号,中频滤波放大后再通过鉴频器,便可以解调出音频信号。超外差的主要优点是: (1)系统增益分配在不同的频段,适当设计射频、中频和低频的增益,可以使系统达到...

摘 要:该系统基于超外差接收原理,采用二次变频窄带调频接收电路MC13135,由DDS集成芯片AD9851构成的本振源模块、静噪电路模块、音频功率放大及音量控制等模块组成,可实现对接收信号频率在25MHz左右的调频扫描,其中能锁定的输入信号可以小于10uV,具有10个信道和20个信道两种模式,每种模式下可以设置工作在任一信道,也可以所有信道自动循环扫描工作。

关键词:超外差二次变频接收; 本机振荡; 混频器; 静噪控制;RSSI

中图分类号:TN851

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)09-0305-02

1 系统总体方案设计与论证

本系统采用超外差二次变频接收方式,将射频信号进行二次混频,变频到频率较低的中频信号,中频滤波放大后再通过鉴频器,便可以解调出音频信号。超外差的主要优点是:

(1)系统增益分配在不同的频段,适当设计射频、中频和低频的增益,可以使系统达到极高的增益,同时能保证系统的稳定;

(2)具有较高的选择性和较好的频率特性,只需通过改变本振频率便可以将接收的高频信号放大调谐在不同的通频带,实现不同载频信号的接收;

(3)容易调整。

随着集成电路的发展,已经具有很多基于超外差原理的窄带调频的单片集成电路。本系统采用二次变频单片窄带调频集成电路MC13135,它内含振荡器、VCO变容调谐二极管、低噪声第一和第二混频器及LO、高性能限幅放大器、RSSI等,可以较好的在接收频段内抑制镜频干扰等,达到很好的接收效果。其中限幅器提供了 110dB 的增益,对数特性 RSSI(接收信号强度指示)电路具有 75dB 的动态范围,对RSSI信号采样和判断,可以检测信号强度和实现静噪功能的控制。

1.1 系统振荡器方案选择

MC13135的第一本机振荡器可以选择晶体或VCO方式,也可以利用直接数字频率合成技术(DDS)提供本机振荡信号。采用DDS专用集成芯片AD9851,该芯片可将一个高稳定度晶体振荡器产生的高精度的标准频率经过DDS技术处理,产生高稳定度和高精确度的大量离散频率。AD9851具有转换速度快、分辨率高、换频速度快、频带宽等特点,且输出信号频率和幅度稳定性高。

AD9851内置32位频率累加器、10bit高速DAC、高速比较器和可软件选通的时钟6倍频电路。外接参考频率源,AD9851可以产生频谱纯净、频率和相位都可控且稳定度非常高的正弦波,可以直接做为本振源。

1.2 静噪方案选择

无信号输入时,MC13135的鉴频解调器输出幅度较大的白噪声,经音频放大器后输出很大的噪声,因此需要接入静噪控制电路。

本系统采用载波静噪方式。MC13135给出了接收信号强度指示(RSSI),此信号可用作载波检测静噪。RSSI信号与输入信号在一定范围内成线性关系,用ADC采样RSSI信号,只需通过判断RSSI信号大小确定输入信号强度,无信号输入时或输入信号强度较弱,RSSI信号较小,从而实现静噪控制功能。

2 系统总体方框图

系统总体原理框图如右图1所示。本接收机系统以单片机和FPGA为控制核心,核心器件为MC13135,其内部已经集成了高放、混频、限幅器、鉴频器、功放等基本电路,只需外加少量相应器件就可以完成。

3 理论分析

3.1 超外差二次变频接收原理

若接收机射频电路里有两个混频电路,则为超外差二次变频接收机。首先将接收到的信号由高频低噪声放大器放大,并和AD9851产生的第一本振信号进入第一混频器,得到第一中频信号。混频器的主要功能是将经过射频放大的信号和本地振荡产生的本振信号相乘,得到上下变频信号。第一中频信号经过陶瓷滤波器进行滤波和放大后,与由晶振构成的第二本机振荡信号混频,得到第二中频。第二中频信号经陶瓷滤波选频后,输入限幅器进行高增益放大,再进行鉴频器解调,最后经过音频放大器输出音频信号。

调频波的解调称为频率检波,即从已调波中检出反映在频率变化上的调制信号。鉴频电路是一个将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压的变换器。一般必须在鉴频前加一限幅器以消除寄生调幅,保证加到鉴频器上的调频电压等幅。限幅器的增益设计得很高而且工作十分稳定,这就使得超外差接收机不论对强信号还是弱信号,都能做到基本相同的放大倍数,也正是因为采用了中频放大器,它的放大倍数可以达到很大,也就使电路的接收灵敏度大大提高。MC13135的接收灵敏度可达到1uVrms,可以满足接收机锁定的输入信号小于10uV的要求。

3.2 DDS原理

下图2为DDS原理框图,其工作原理是:每个参考频率fs上升沿到来时,N位的相位累加器的值便按照频率控制字K的长度增加一次,所得相位值被输出至正弦查找表,查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值,再经过D/A转换器得到相应的阶梯波,最后经过低通滤波器对阶梯波进行平滑,得到连续变化的模拟输出波形。在fs和N一定的情况下,输出波形频率由频率控制字K决定。

DDS系统输出信号的频率为:fout=fs*K/2N,频率分辨率为:f=fs/2N。

4 主要硬件电路设计

4.1 超外差二次变频接收电路

第一本振采用AD9851产生本振信号直接输入MC13135的Pin1引脚。为了尽量提高接收灵敏度,载频FM输入信号经OPA847进行预放大后从MC13135的Pin22输入,在内部第一混频级进行混频,其差频10.7MHz第一中频信号由Pin20输出,经107PF的陶瓷滤波器选频后由pin18送到内部的第二混频电路。内部的振荡电路及Pin5和Pin6的外接晶体和电容构成了第二本振级,选用频率为10.245MHz的10.7MHz第一中频信号与第二本振频率进行混频,其差频为:10.700-10.245=0.455MHz,也即455kHz第二中频信号。

第二中频信号由Pin7输出,由455kHz陶瓷滤波器选频,再经Pin9送入MC13135的限幅放大器进行高增益放大,限幅放大级是整个电路的主要增益级。Pin13的外接LC元件组成455kHz鉴频谐振回路,经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调,并经一级音频电压放大后由Pin17输出音频信号。输出端接入一阶无源RC滤波器, 使3kHz以上音频信号按每倍频程约6dB衰减。

MC13135内部还置有一级数据信号放大级,Pin12为RSSI输入端,Pin15为运算放大级的输入端,Pin16为RSSI缓冲放大的输出端。Pin10和Pin11接退耦电容,以保证电路稳定地工作。

4.2AD9851构成的第一本振源电路

本系统接收信号频率范围在25MHz左右,第一中频为10.7MHz,当为20个信道模式时,信道间隔为100KHz,此时AD9851仅需要产生13MHz到15MHz左右的本振信号。AD9851外接25MHz晶振,内部工作时钟达到150MHz,根据DDS原理,完全能够产生高于15MHz的正弦信号,而且此时频率分辨率为0.035Hz,信道间频率可步进调节。

4.3 音量控制及功率放大电路

采用电子音量控制集成电路PGA2310作音量控制,控制十分精确,频率可以0.5dB步进调节,调节范围为-95.5dB~31.5dB,其信噪比为120dB,失真度为0.0004%,声道分离度为126dB,且具有软件静音功能。PGA2310输出信号一路经过高电压高电流运放OPA551构成的跟随器连接50欧姆负载。OPA551最大输出电流可以达到200mA。PGA2310另一路输出信号输入高效D类放大器TPA2001,驱动8欧姆的扬声器,最大输出功率可以达到1W,其增益由pin4和pin5控制,GAIN0和GAIN1接地时增益为6。TPA2001功耗小,性价比高。

4.4 静噪控制电路

采样MC13135的RSSI信号,检测RSSI信号大小以确定输入信号的有无或者强弱,当无信号输入或输入信号强度非常弱时,通过PGA2310软件静音功能关断扬声器,即实现了静噪控制功能。RSSI信号的AD采样电路请见下图5。

5 软件设计

本系统以单片机和FPGA为控制核心,单片机控制输入输出和界面显示,系统各硬件模块的控制及功能模块的实现主要在FPGA中完成。系统软件的总体功能主要是完成分别在两种工作模式下的调频扫描接收的控制。主程序流程如下图6所示。当设置某单一信道工作,控制AD9851产生的本振信号频率在相应信道对应的工作频率范围内,在该范围内进行细扫频,通过对RSSI信号的检测确定信号的有无及有信号时的最佳接收状态。当信道间循环扫描时,先通过对各信道进行粗扫,一旦检测到某信道有信号,则通过对该信道进行细扫来找到最佳接收状态。每接收到信号,软件会自动存储相应电台。系统软件还通过对PGA2310的控制实现了音量控制功能和静噪控制功能。

6 测试数据及结果分析

6.1 测试仪器及型号

数字合成高频信号发生器 SP1461

数字示波器TDS1002

高频毫伏表DA22A

6.2 测试方法及结果

6.2.1 功能测试

(1)检测信道。先将本接收机设置工作在10个信道模式,从高频信号源输入20uV的调频波,用示波器观察音频输出信号,波形无明显失真,解调正确,LCD上显示正确的信道标号。依次间隔32kHz改变调频波的载频,使调频波的载频分别处在10个信道中,测试LCD能够正确显示10个信道标号和对应的工作频率,如表1所示。并且记录扫描工作时,每个信道停留时间不小于2s,不大于5s。同理可以检测20个信道的模式。

信道,设置接收机扫描工作,当扫描到该频率信号时,本接收机停止扫描,处在接收状态。手动继续扫描按钮,接收机继续向下一个信道扫描。

(3)检测静噪控制功能。选择静噪控制按钮,有较强信号输入时,扬声器有音频信号输出,用示波器测试50欧姆负载上有音频信号。无信号输入时,或有十分微弱的信号输入,扬声器完全没有声音,50欧姆负载上无信号。因此本接收机具有静噪控制功能。当断开静噪控制按钮,无信号输入时,扬声器发出“哗”的声音,50欧姆负载上检测到较大的噪声信号。因此,断开静噪控制按钮,本接收机能够处在不静噪状态。

(4)本接收机还具有实时指示接收信号强度、自动搜台和存储电台的功能。

6.2.2 指标测试

(1)在每个信道输入标准高频信号(幅度1mV,频偏3kHz)时,用示波器检测50Ω负载上音频输出电压峰-峰值,波形无明显失真,表2为结果测试数据。

(3)测量音频响应及去加重性能。在每个信道,高频信号源的输出载波值调整到幅度1mV频偏3kHz,分别用300Hz、1000Hz、3000Hz音频调制,在50 Ω负载上,测出接收机对应的输出音频电压,观察其平坦度。分别用4kHz、6kHz、12kHz音频调制,测出接收机对应的输出音频电压Vpp,观察其衰减情况,并画出曲线(对数坐标)。表4为对应信道5测得的数据,对应曲线如图7所示。

6.3 测试结果分析

本系统所实现的功能和性能达到较高的性能指标。从音频响应和去加重特性的测试图表来看,调制频率在300Hz至3kHz内输出音频电压大致平坦,符合实际理论效果,3kHz以上每倍频程约6dB衰减。但3kHz处有少许衰减,这是因为由于MC13135内部的中频滤波特性使音频信号直接解调出来后就已经存在了少许衰减特性,同理也导致一阶无源RC滤波器在3kHz以上可以接近每倍频程6dB衰减。

7 结语

本系统接收灵敏度理论可达到1uVrms,具有较高的选择性和较好的频率特性还可指示接收信号强度、自动搜台和存储电台,但同时也存在一些特殊干扰,如镜像干扰、中频干扰等。其中MC13135的应用大大降低了电路设计的复杂性,它将大部分电路集成在一起,增强了系统的稳定性。

参考文献

[1]黄根春,陈小桥,张望先.电子设计教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

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