FM-SCA射频接收系统二本振电路的设计与分析

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      近年来国际上出现了利用调频(FM)广播副载波进行高速数据传输的技术。

       由于这种技术具有数据传输速率高、不额外占用频率资源、抗干扰能力强等优点,因此,通过调频广播辅助信道开展通信业务-SCA(Subsidiary Communication Authorization)得到了很大发展。

  高频振荡电路广泛地应用在电子系统及设备中。当今随着通信的飞速发展,对本振性能的要求也越来越高。有关振荡器的理论、设计和技术在近年来也得到了不断的发展。在射频接收电路中,本地振荡信号源(高频振荡器)一般采用正弦波振荡器,对振荡器提出的主要指标为振荡频率和振荡幅度的精确性与稳定性。正弦波振荡电路主要包括LC振荡电路和RC振荡电路。在要求本地振荡信号频率精度较高的应用中,晶体振荡器频率稳定度比陶瓷振荡电路要高,可以超过10 -5数量级。但由于受晶体晶片本身的局限,在几百kHz频段时的昌振体积就很大,不适用于小型化的无线寻呼接收机。由于SCA无线数据传输信息是经过两次不同的调制(FSK调制和FM调制)后,与调频广播台其它信息一起,由调频电台发射天线发射到空间的[1],所以FM-SCA无线数据传输接收终端在接收到主载波的复合信号后,需经过两次解调才能还原出原来的数据信息,即:首先,通过天线接收且高频放大后,经第一次混频、第一中频滤波、第一次解调输出 SCA信号,此信号是FSK信号。然后,必须再进行一次解调才能还原出FM-SCA信息,即经第二次混频、第二中频滤波、第二次解调、低通滤波,最后得到数字信号。所以二本振电路在FM-SCA射频接收电路中占有很重要的地位。然而,在SCA射频接收电路中[2],根据超外差接收原理,其二本振听频率为 522kHz(67kHz+455kHz)。由于该频段内石英晶体的体积很大,不利于实现SCA射频接收的小型化,因此,二本振电路采用了陶瓷振子振荡电路。

  一、陶瓷振子的特性

  陶瓷振子的频率覆盖范围从千赫范围兹到兆赫兹之间,其频率稳定性介于LC/RC和石英晶体振荡器之间。它具有尺寸小、起振性能好、无需调整等优点。

  陶瓷振子的等效电路如图1所示,与石英晶体的等效电路一致,但其Q值比石英晶体差。测试522kHz 陶瓷振子的特性,可知该陶瓷振子在498~531kHz 范围内,振子呈感性,且动态电感极大,Q值很高,是振子在振荡器中的应用范围。超过此范围振子呈容性,不满足相位条件,将不产生振荡。

       

  二、二本振电路的设计

  由于现在几乎所有的FSK解调芯片都把振荡器集成其中。MC3374也同样如此,所以二本振电路的结构比较简单,只需在片外接晶振与振荡回路所需的电路即可。只要电容值适录,就可以实现二本振的稳定振荡。

  1.理论分析

  参阅MC3374资料,在SCA射频接收中,二本振的振荡电路如图2(a)所示[2]。图2(b)为该振荡电路的计算分析等效电路,即把二本振电路分为谐振器和有源网络两部分[3]:谐振器部分的阻抗是频率的函数,尤其在谐振点附近随着频率变化而发生较大变化;有源网络部分的阻抗随频率变化的幅度不大,而且与电路的电源电压及直流偏置参数还一定关系。

       

       

        利用线性负阻分析方法可得振荡电路图2(b)的交流等效电路,如图3所示。通过推导,可得出该电路的阻抗为

       

  虽然利用上式求解振荡频率,不仅计算麻烦,而且结果也不精确,但是从该式可以看出振荡频率与C1、 C2的关系。Zact=Ract+jXact,当C1减小时,Ract的绝对值变大,Xact的绝对值也变大;或当C2减小时,Ract的绝对值也变大, Xact的绝对值也变大,都会引起振荡电路的频率变高。

  2.SPICE模拟

  在工程估算的基础上,采用SPICE模拟,进一步较为精确地确定振荡元器件参数,以备实际设计的使用。

  通过对图2(b)所示拆分的振荡电路分别进行AC分析,再稍作处理,可以得到较为精确的谐振频率,而且分析速度快。在进行SPICE模拟时,将电路分为谐振器和有源网络两部分,分别加以1A的交流激励电流,然后对其进行AC分析,可得到不同频率点的Vact和Vpas(即Zact和Zpas)。设 Vtotal="Vact"+Vpas,在Vtotal的虚部为零、实部为负的频率点即为电路的谐振点。图4即为交流分析结果。

        

  图4中:A、D曲线对应的是C1=C2=330pF;B、E曲线对应的是C1=C2=230pF; C、F曲线对应的是C1=C2=130pF。它们均能满足起振条件,并可以得到相应的振荡频率分别为: 522.468kHz、524.955kHz、528.570kHz。由此可见,C1、C2改变时,振荡频率分跟着发生少量变化,变化趋势如图5所示。

       

       由以上分析可知 :为使二本振谐振在522kHz左右,C1与C2都选为330pF,否则,振荡频率会发生偏移,影响SCA的射频接收效果。

  该陶瓷振荡器的瞬态分析输出结果如图6(a)、6(b)所示。由此可见,瞬态分析结果与AC分析得出的谐振频率吻合得很好。

       

  3.振荡器输出幅度

  在理论上估计该振荡器的输出幅度时,由于输出负载与振荡器之间属弱耦合,C1<

  查表可知:V=40,因此,实际的基极电压为40×26mV=1040mV。事实上,振荡时发射极工作点发生偏移,使集电极一发射术电压达到饱和,如图7所示。

       

  由图7可知:若集电极出现饱和,则输出幅值正比于电源电压,同时电路的有载Q值与电源电压、发射极静态工作电流及反馈系数有关。

  在SCA射频接收中,二本振电路采用了MC3374内部振荡电路,设计的振荡电路振频频率为522kHz。二本振电路中外接元件C1与C2的值取为330pF,其电路易起振、振荡频率稳定、振荡幅度高,振荡特性较好,符合设计要求。

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