全双工无线数传电台设计方案

  数传电台在工业控制领域的应用已经十分广泛,目前仍然是工业控制领域的主要传输手段。无线数传电台作为一种最简捷的通信方式,其最基本的特征是通连方便、简捷。然而,目前国内外绝大多数都是单工电台。全双工数传电台还不多见,而有些工程项目又确实需要全双工的数传电台来进行数据传输,为此,本文提出了一种全双工的数传电台的设计思路。

  本文所介绍的全双工数传电台主要采用频分双工(FDD—Frequency Division Duplexing)工作方式。它主要由接收单元、激励器单元、功放单元、控制单元、电源单元、基带单元六部分组成。图1所示是其结构原理框图。

 

 

  激励器单元完成射频信号的调制和音频信号的处理,即把要调制的话音、数据送到VC0调制并进行电压放大。它由话放处理、数字锁相环、压控振荡器、电压放大器、功率调整电路、电源电路组成。图2所示是激励器单元的组成框图。图中,麦克风送来的微弱信号首先送给话放处理电路,以进行话音放大、滤波、预加重等信号处理,然后经过电子开关送给压控振荡器进行直接调频,同时将基带处理后的数字信号也经过电子开关切换后送给压控振荡器进行直接调频。锁相环路可选用快恢复二极管来提高锁相环路的锁定速度,环路滤波器可选用无源比例积分滤波器,VCO则采用模块化设计。数字锁相环芯片采用日本富士通的MBl504H集成电路芯片,该芯片集成化程度高、体积小,特别是其泵电源高达8 V,可相对降低VCO的压控灵敏度。为了减小发射机在较宽温度范围内的频率变化,建议采用温补晶体振荡器作基准频率。由于VCO输出的信号较弱,只有数个毫瓦,故可经过功分器后,将一路送给鉴相器与基准频率进行比较,并产生误差电压以控制VCO的频率至设定频点,另一路送给电压放大器,然后经3级放大处理,使其能够推动功放电路工作。

 

 

  考虑到一般需要外接蓄电池作为电源,激励器电源输入可采用7809三端稳压器稳压,以提供较宽的电压动态范围。同时,也可采用多级LC滤波来改善稳压和降噪效果。

  功放单元的主要任务是把激励器送来的射频信号经功放模块放大到44 dBm,然后经过低通滤波器滤除高次谐波后送给双工器,最后通过天线发射出去。如果天线出现开路或短路,那么功率将反射回来,此时检测电路将进行检波,然后比较放大,再送一个信号给MCU,由MCU控制相关电路关断功放,以达到保护功放模块的目的。功放电路的组成如图3所示。

 

 

  接收单元可完成射频信号的解调和音频信号的处理。它一般由滤波器、选择回路、高放、双平衡混频器、一中放、二中放组成。其中二中放由二本振、二混频、鉴相器、静噪控制电路组成,混频器中的一中频为21.4 MHz,二中频为455 kHz,混频方式为外差式。

  当射频信号经天线送到双工器后,再经过第一级带通滤波器滤波,并经限幅后将送给高放电路。然后进入第二级带通滤波器滤波,最后送给双平衡混频器混频。限幅电路的作用是防止强干扰信号损坏高放前端组件。

  高放电路一般采用双调谐回路和一级放大形式,输入输出回路均采用抽头形式可使电路匹配、增益兼顾。高放管可选用低噪声管2SC3356,其特点是具有很低的噪声和较高的功率增益。经高放放大的信号再与压控送来的第一本振信号经过双平衡混频器进行混频。2SC3356是集成组件,特点是噪声低,高次组合少。一中频为21.4 MHz的信号经过两级中频放大后,可送到中放集成电路TA31136FN,与20.945 MHz晶体振荡器产生的二本振进行混频,而混出的455 kHz二中频信号,则经过455 kHz陶瓷滤波器滤波后,通过二中放的5脚输入。限幅放大器的输出可在内部直接驱动,并在外部通过相移线圈完成鉴频,鉴频输出的音频信号由9脚输出。该信号一路经电子开关送给去加重、滤波、放大后送给扬声器还原声音。另一路经过滤波后送给基带信号处理器。

 

 

  接收机中的数字锁相环可选用日本富士通公司MBl504集成电路来进行设计,由于该器件集成化程度高、体积小,串行数据接收编程简单。因此,将VCO和温补晶体振荡器送出的射频信号耦合到MBl504H,然后经过内部分频比相以得到误差电压,再反馈回VCO控制微调其频率,可使其锁定在设定的信道上。而当 VCO失锁后,也可以由失锁指示电路提供一个失锁电平来点亮一个贴片发光二极管,给后续维修提供方便。图4所示是接收机单元原理结构框图。

 

 

  通过系统电源可对外接直流电源进行滤波、反极性保护等处理,然后输出稳定的电源电压,同时,电源还必须进行必要的短路和过流保护。系统电源可外接+12 V直流电,然后通过反极性保护电路,来防止电源接反。再经过多级LC滤波电路来滤除各种杂波和高低频交流干扰后,送到电源继电器,由继电器控制面板电源开关,来开关整机电源。其电源电路的结构原理图如图5所示。

  控制单元以ATMEGA64为核心来完成本机工作状态的控制,包括收发信机的频合数据,面板显示器、键盘的控制,工作频段控制,数传以及话音通信状态的控制等。基带单元则负责处理本机和计算机终端的数据交换。它以DSP芯片ADSP一2185M为核心,并以单片机AT90S8515以及CPLD复杂可编程逻辑器件来组成控制和接口电路。同时以数模和模数转换,以及运算放大器等构成信号与电台的接口电路。基带单元则采用DSP进行数字信号的调制与解调。图6给出了基带单元的构成原理框图。

 

 

  样机设计完成后,可以对其进行测试。测试时,天线架设高度应为6m,全向天线可选择7.8dBi的高增益天线,甲、乙两设备之间直线距离应大于30km。设置完成后,可通过串口调试助手来收发数据,并进行全双工数据通信。信道速率可选为19200 bps,每包100字节,PTT延时选择20 ms。一般情况下,系统话音质量以及丢包率应符合表1所列的参数。可以得出,利用该方案设计的全双工无线数传电台稳定性好,可靠性高,而且高低温特性良好,故障率低。只要系统中的电子元器件选型正确,一般均可达到一定的稳定性,同时可靠性也很好。