全雙工無線數傳電臺設計方案

0 引言

　　數傳電臺在工業控制領域的應用已經十分廣泛，目前仍然是工業控制領域的主要傳輸手段。無線數傳電臺作為一種最簡捷的通信方式，其最基本的特征是通連方便、簡捷。然而，目前國內外絕大多數都是單工電臺。全雙工數傳電臺還不多見，而有些工程項目又確實需要全雙工的數傳電臺來進行數據傳輸，為此，本文提出了一種全雙工的數傳電臺的設計思路。

　　1 全雙工無線數傳電臺的結構原理

　　本文所介紹的全雙工數傳電臺主要采用頻分雙工(FDD—Frequency Division Duplexing)工作方式。它主要由接收單元、激勵器單元、功放單元、控制單元、電源單元、基帶單元六部分組成。圖1所示是其結構原理框圖。

　　2 系統結構單元設計

　　2．1 激勵器單元

　　激勵器單元完成射頻信號的調制和音頻信號的處理，即把要調制的話音、數據送到VC0調制并進行電壓放大。它由話放處理、數字鎖相環、壓控振蕩器、電壓放大器、功率調整電路、電源電路組成。圖2所示是激勵器單元的組成框圖。圖中，麥克風送來的微弱信號首先送給話放處理電路，以進行話音放大、濾波、預加重等信號處理，然后經過電子開關送給壓控振蕩器進行直接調頻，同時將基帶處理后的數字信號也經過電子開關切換后送給壓控振蕩器進行直接調頻。鎖相環路可選用快恢復二極管來提高鎖相環路的鎖定速度，環路濾波器可選用無源比例積分濾波器，VCO則采用模塊化設計。數字鎖相環芯片采用日本富士通的MBl504H集成電路芯片，該芯片集成化程度高、體積小，特別是其泵電源高達8 V，可相對降低VCO的壓控靈敏度。為了減小發射機在較寬溫度范圍內的頻率變化，建議采用溫補晶體振蕩器作基準頻率。由于VCO輸出的信號較弱，只有數個毫瓦，故可經過功分器后，將一路送給鑒相器與基準頻率進行比較，并產生誤差電壓以控制VCO的頻率至設定頻點，另一路送給電壓放大器，然后經3級放大處理，使其能夠推動功放電路工作。

　　考慮到一般需要外接蓄電池作為電源，激勵器電源輸入可采用7809三端穩壓器穩壓，以提供較寬的電壓動態范圍。同時，也可采用多級LC濾波來改善穩壓和降噪效果。

　　2．2 功放單元

　　功放單元的主要任務是把激勵器送來的射頻信號經功放模塊放大到44 dBm，然后經過低通濾波器濾除高次諧波后送給雙工器，最后通過天線發射出去。如果天線出現開路或短路，那么功率將反射回來，此時檢測電路將進行檢波，然后比較放大，再送一個信號給MCU，由MCU控制相關電路關斷功放，以達到保護功放模塊的目的。功放電路的組成如圖3所示。

　　2．3 接收機單元

　　接收單元可完成射頻信號的解調和音頻信號的處理。它一般由濾波器、選擇回路、高放、雙平衡混頻器、一中放、二中放組成。其中二中放由二本振、二混頻、鑒相器、靜噪控制電路組成，混頻器中的一中頻為21．4 MHz，二中頻為455 kHz，混頻方式為外差式。

　　當射頻信號經天線送到雙工器后，再經過第一級帶通濾波器濾波，并經限幅后將送給高放電路。然后進入第二級帶通濾波器濾波，最后送給雙平衡混頻器混頻。限幅電路的作用是防止強干擾信號損壞高放前端組件。

　　高放電路一般采用雙調諧回路和一級放大形式，輸入輸出回路均采用抽頭形式可使電路匹配、增益兼顧。高放管可選用低噪聲管2SC3356，其特點是具有很低的噪聲和較高的功率增益。經高放放大的信號再與壓控送來的第一本振信號經過雙平衡混頻器進行混頻。2SC3356是集成組件，特點是噪聲低，高次組合少。一中頻為21.4 MHz的信號經過兩級中頻放大后，可送到中放集成電路TA31136FN，與20．945 MHz晶體振蕩器產生的二本振進行混頻，而混出的455 kHz二中頻信號，則經過455 kHz陶瓷濾波器濾波后，通過二中放的5腳輸入。限幅放大器的輸出可在內部直接驅動，并在外部通過相移線圈完成鑒頻，鑒頻輸出的音頻信號由9腳輸出。該信號一路經電子開關送給去加重、濾波、放大后送給揚聲器還原聲音。另一路經過濾波后送給基帶信號處理器。

　　接收機中的數字鎖相環可選用日本富士通公司MBl504集成電路來進行設計，由于該器件集成化程度高、體積小，串行數據接收編程簡單。因此，將VCO和溫補晶體振蕩器送出的射頻信號耦合到MBl504H，然后經過內部分頻比相以得到誤差電壓，再反饋回VCO控制微調其頻率，可使其鎖定在設定的信道上。而當 VCO失鎖后，也可以由失鎖指示電路提供一個失鎖電平來點亮一個貼片發光二極管，給后續維修提供方便。圖4所示是接收機單元原理結構框圖。

　2．4 電源設計

　　通過系統電源可對外接直流電源進行濾波、反極性保護等處理，然后輸出穩定的電源電壓，同時，電源還必須進行必要的短路和過流保護。系統電源可外接+12 V直流電，然后通過反極性保護電路，來防止電源接反。再經過多級LC濾波電路來濾除各種雜波和高低頻交流干擾后，送到電源繼電器，由繼電器控制面板電源開關，來開關整機電源。其電源電路的結構原理圖如圖5所示。

　　2．5 控制和基帶單元

　　控制單元以ATMEGA64為核心來完成本機工作狀態的控制，包括收發信機的頻合數據，面板顯示器、鍵盤的控制，工作頻段控制，數傳以及話音通信狀態的控制等。

　　基帶單元則負責處理本機和計算機終端的數據交換。它以DSP芯片ADSP一2185M為核心，并以單片機AT90S8515以及CPLD復雜可編程邏輯器件來組成控制和接口電路。同時以數模和模數轉換，以及運算放大器等構成信號與電臺的接口電路。基帶單元則采用DSP進行數字信號的調制與解調。圖6給出了基帶單元的構成原理框圖。

　　3 整機通信測試

　　樣機設計完成后，可以對其進行測試。測試時，天線架設高度應為6m，全向天線可選擇7．8dBi的高增益天線，甲、乙兩設備之間直線距離應大于30km。設置完成后，可通過串口調試助手來收發數據，并進行全雙工數據通信。信道速率可選為19200 bps，每包100字節，PTT延時選擇20 ms。一般情況下，系統話音質量以及丟包率應符合表1所列的參數。

　　4 結束語

　　本文提出了一種全雙工無線數傳電臺的設計方案，利用該方案設計的全雙工無線數傳電臺穩定性好，可靠性高，而且高低溫特性良好，故障率低。只要系統中的電子元器件選型正確，一般均可達到一定的穩定性，同時可靠性也很好。