調頻掃描接收機的設計

摘 要:該系統基于超外差接收原理，采用二次變頻窄帶調頻接收電路MC13135，由DDS集成芯片AD9851構成的本振源模塊、靜噪電路模塊、音頻功率放大及音量控制等模塊組成，可實現對接收信號頻率在25MHz左右的調頻掃描，其中能鎖定的輸入信號可以小于10uV，具有10個信道和20個信道兩種模式，每種模式下可以設置工作在任一信道，也可以所有信道自動循環掃描工作。

關鍵詞:超外差二次變頻接收; 本機振蕩; 混頻器; 靜噪控制;RSSI

中圖分類號:TN851

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)09-0305-02

1 系統總體方案設計與論證

本系統采用超外差二次變頻接收方式，將射頻信號進行二次混頻，變頻到頻率較低的中頻信號，中頻濾波放大后再通過鑒頻器，便可以解調出音頻信號。超外差的主要優點是:

(1)系統增益分配在不同的頻段，適當設計射頻、中頻和低頻的增益，可以使系統達到極高的增益，同時能保證系統的穩定;

(2)具有較高的選擇性和較好的頻率特性，只需通過改變本振頻率便可以將接收的高頻信號放大調諧在不同的通頻帶，實現不同載頻信號的接收;

(3)容易調整。

隨著集成電路的發展，已經具有很多基于超外差原理的窄帶調頻的單片集成電路。本系統采用二次變頻單片窄帶調頻集成電路MC13135，它內含振蕩器、VCO變容調諧二極管、低噪聲第一和第二混頻器及LO、高性能限幅放大器、RSSI等，可以較好的在接收頻段內抑制鏡頻干擾等，達到很好的接收效果。其中限幅器提供了 110dB 的增益，對數特性 RSSI(接收信號強度指示)電路具有 75dB 的動態范圍，對RSSI信號采樣和判斷，可以檢測信號強度和實現靜噪功能的控制。

1.1 系統振蕩器方案選擇

MC13135的第一本機振蕩器可以選擇晶體或VCO方式，也可以利用直接數字頻率合成技術(DDS)提供本機振蕩信號。采用DDS專用集成芯片AD9851，該芯片可將一個高穩定度晶體振蕩器產生的高精度的標準頻率經過DDS技術處理，產生高穩定度和高精確度的大量離散頻率。AD9851具有轉換速度快、分辨率高、換頻速度快、頻帶寬等特點，且輸出信號頻率和幅度穩定性高。

AD9851內置32位頻率累加器、10bit高速DAC、高速比較器和可軟件選通的時鐘6倍頻電路。外接參考頻率源，AD9851可以產生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩定度非常高的正弦波，可以直接做為本振源。

1.2 靜噪方案選擇

無信號輸入時，MC13135的鑒頻解調器輸出幅度較大的白噪聲，經音頻放大器后輸出很大的噪聲，因此需要接入靜噪控制電路。

本系統采用載波靜噪方式。MC13135給出了接收信號強度指示(RSSI)，此信號可用作載波檢測靜噪。RSSI信號與輸入信號在一定范圍內成線性關系，用ADC采樣RSSI信號，只需通過判斷RSSI信號大小確定輸入信號強度，無信號輸入時或輸入信號強度較弱，RSSI信號較小，從而實現靜噪控制功能。

2 系統總體方框圖

系統總體原理框圖如右圖1所示。本接收機系統以單片機和FPGA為控制核心，核心器件為MC13135，其內部已經集成了高放、混頻、限幅器、鑒頻器、功放等基本電路，只需外加少量相應器件就可以完成。

3 理論分析

3.1 超外差二次變頻接收原理

若接收機射頻電路里有兩個混頻電路，則為超外差二次變頻接收機。首先將接收到的信號由高頻低噪聲放大器放大，并和AD9851產生的第一本振信號進入第一混頻器，得到第一中頻信號。混頻器的主要功能是將經過射頻放大的信號和本地振蕩產生的本振信號相乘，得到上下變頻信號。第一中頻信號經過陶瓷濾波器進行濾波和放大后，與由晶振構成的第二本機振蕩信號混頻，得到第二中頻。第二中頻信號經陶瓷濾波選頻后，輸入限幅器進行高增益放大，再進行鑒頻器解調，最后經過音頻放大器輸出音頻信號。

調頻波的解調稱為頻率檢波，即從已調波中檢出反映在頻率變化上的調制信號。鑒頻電路是一個將輸入調頻信號的瞬時頻率變換為相應解調輸出電壓的變換器。一般必須在鑒頻前加一限幅器以消除寄生調幅，保證加到鑒頻器上的調頻電壓等幅。限幅器的增益設計得很高而且工作十分穩定，這就使得超外差接收機不論對強信號還是弱信號，都能做到基本相同的放大倍數，也正是因為采用了中頻放大器，它的放大倍數可以達到很大，也就使電路的接收靈敏度大大提高。MC13135的接收靈敏度可達到1uVrms，可以滿足接收機鎖定的輸入信號小于10uV的要求。

3.2 DDS原理

下圖2為DDS原理框圖，其工作原理是:每個參考頻率fs上升沿到來時，N位的相位累加器的值便按照頻率控制字K的長度增加一次，所得相位值被輸出至正弦查找表，查找表將相位信息轉化為相應的正弦幅度值，再經過D/A轉換器得到相應的階梯波，最后經過低通濾波器對階梯波進行平滑，得到連續變化的模擬輸出波形。在fs和N一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字K決定。

DDS系統輸出信號的頻率為:fout=fs*K/2N，頻率分辨率為:△f=fs/2N。

4 主要硬件電路設計

4.1 超外差二次變頻接收電路

第一本振采用AD9851產生本振信號直接輸入MC13135的Pin1引腳。為了盡量提高接收靈敏度，載頻FM輸入信號經OPA847進行預放大后從MC13135的Pin22輸入，在內部第一混頻級進行混頻，其差頻10.7MHz第一中頻信號由Pin20輸出，經107PF的陶瓷濾波器選頻后由pin18送到內部的第二混頻電路。內部的振蕩電路及Pin5和Pin6的外接晶體和電容構成了第二本振級，選用頻率為10.245MHz的10.7MHz第一中頻信號與第二本振頻率進行混頻，其差頻為:10.700-10.245=0.455MHz，也即455kHz第二中頻信號。

第二中頻信號由Pin7輸出，由455kHz陶瓷濾波器選頻，再經Pin9送入MC13135的限幅放大器進行高增益放大，限幅放大級是整個電路的主要增益級。Pin13的外接LC元件組成455kHz鑒頻諧振回路，經放大后的第二中頻信號在內部進行鑒頻解調，并經一級音頻電壓放大后由Pin17輸出音頻信號。輸出端接入一階無源RC濾波器， 使3kHz以上音頻信號按每倍頻程約6dB衰減。

MC13135內部還置有一級數據信號放大級，Pin12為RSSI輸入端，Pin15為運算放大級的輸入端，Pin16為RSSI緩沖放大的輸出端。Pin10和Pin11接退耦電容，以保證電路穩定地工作。

4.2AD9851構成的第一本振源電路

本系統接收信號頻率范圍在25MHz左右，第一中頻為10.7MHz，當為20個信道模式時，信道間隔為100KHz，此時AD9851僅需要產生13MHz到15MHz左右的本振信號。AD9851外接25MHz晶振，內部工作時鐘達到150MHz，根據DDS原理，完全能夠產生高于15MHz的正弦信號，而且此時頻率分辨率為0.035Hz，信道間頻率可步進調節。

4.3 音量控制及功率放大電路

采用電子音量控制集成電路PGA2310作音量控制，控制十分精確，頻率可以0.5dB步進調節，調節范圍為-95.5dB~31.5dB，其信噪比為120dB，失真度為0.0004%，聲道分離度為126dB，且具有軟件靜音功能。PGA2310輸出信號一路經過高電壓高電流運放OPA551構成的跟隨器連接50歐姆負載。OPA551最大輸出電流可以達到200mA。PGA2310另一路輸出信號輸入高效D類放大器TPA2001，驅動8歐姆的揚聲器，最大輸出功率可以達到1W，其增益由pin4和pin5控制，GAIN0和GAIN1接地時增益為6。TPA2001功耗小，性價比高。

4.4 靜噪控制電路

采樣MC13135的RSSI信號，檢測RSSI信號大小以確定輸入信號的有無或者強弱，當無信號輸入或輸入信號強度非常弱時，通過PGA2310軟件靜音功能關斷揚聲器，即實現了靜噪控制功能。RSSI信號的AD采樣電路請見下圖5。

5 軟件設計

本系統以單片機和FPGA為控制核心，單片機控制輸入輸出和界面顯示，系統各硬件模塊的控制及功能模塊的實現主要在FPGA中完成。系統軟件的總體功能主要是完成分別在兩種工作模式下的調頻掃描接收的控制。主程序流程如下圖6所示。當設置某單一信道工作，控制AD9851產生的本振信號頻率在相應信道對應的工作頻率范圍內，在該范圍內進行細掃頻，通過對RSSI信號的檢測確定信號的有無及有信號時的最佳接收狀態。當信道間循環掃描時，先通過對各信道進行粗掃，一旦檢測到某信道有信號，則通過對該信道進行細掃來找到最佳接收狀態。每接收到信號，軟件會自動存儲相應電臺。系統軟件還通過對PGA2310的控制實現了音量控制功能和靜噪控制功能。

6 測試數據及結果分析

6.1 測試儀器及型號

數字合成高頻信號發生器 SP1461

數字示波器TDS1002

高頻毫伏表DA22A

6.2 測試方法及結果

6.2.1 功能測試

(1)檢測信道。先將本接收機設置工作在10個信道模式，從高頻信號源輸入20uV的調頻波，用示波器觀察音頻輸出信號，波形無明顯失真，解調正確，LCD上顯示正確的信道標號。依次間隔32kHz改變調頻波的載頻，使調頻波的載頻分別處在10個信道中，測試LCD能夠正確顯示10個信道標號和對應的工作頻率，如表1所示。并且記錄掃描工作時，每個信道停留時間不小于2s，不大于5s。同理可以檢測20個信道的模式。

信道，設置接收機掃描工作，當掃描到該頻率信號時，本接收機停止掃描，處在接收狀態。手動繼續掃描按鈕，接收機繼續向下一個信道掃描。

(3)檢測靜噪控制功能。選擇靜噪控制按鈕，有較強信號輸入時，揚聲器有音頻信號輸出，用示波器測試50歐姆負載上有音頻信號。無信號輸入時，或有十分微弱的信號輸入，揚聲器完全沒有聲音，50歐姆負載上無信號。因此本接收機具有靜噪控制功能。當斷開靜噪控制按鈕，無信號輸入時，揚聲器發出“嘩”的聲音，50歐姆負載上檢測到較大的噪聲信號。因此，斷開靜噪控制按鈕，本接收機能夠處在不靜噪狀態。

(4)本接收機還具有實時指示接收信號強度、自動搜臺和存儲電臺的功能。

6.2.2 指標測試

(1)在每個信道輸入標準高頻信號(幅度1mV，頻偏3kHz)時，用示波器檢測50Ω負載上音頻輸出電壓峰-峰值，波形無明顯失真，表2為結果測試數據。

(3)測量音頻響應及去加重性能。在每個信道，高頻信號源的輸出載波值調整到幅度1mV頻偏3kHz，分別用300Hz、1000Hz、3000Hz音頻調制，在50 Ω負載上，測出接收機對應的輸出音頻電壓，觀察其平坦度。分別用4kHz、6kHz、12kHz音頻調制，測出接收機對應的輸出音頻電壓Vpp，觀察其衰減情況，并畫出曲線(對數坐標)。表4為對應信道5測得的數據，對應曲線如圖7所示。

6.3 測試結果分析

本系統所實現的功能和性能達到較高的性能指標。從音頻響應和去加重特性的測試圖表來看，調制頻率在300Hz至3kHz內輸出音頻電壓大致平坦，符合實際理論效果，3kHz以上每倍頻程約6dB衰減。但3kHz處有少許衰減，這是因為由于MC13135內部的中頻濾波特性使音頻信號直接解調出來后就已經存在了少許衰減特性，同理也導致一階無源RC濾波器在3kHz以上可以接近每倍頻程6dB衰減。

7 結語

本系統接收靈敏度理論可達到1uVrms，具有較高的選擇性和較好的頻率特性還可指示接收信號強度、自動搜臺和存儲電臺，但同時也存在一些特殊干擾，如鏡像干擾、中頻干擾等。其中MC13135的應用大大降低了電路設計的復雜性，它將大部分電路集成在一起，增強了系統的穩定性。

參考文獻

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