DMR终端锁相调频接收机设计

    2004年，欧洲电信标准协会(ETSI)提出新型数字集群通信系统DMR(Digital Mobile Radio)，DMR系统与TETRA和iDEN系统相比具有易于实现、成本低廉等优势，已经开始受到国内外各大集群设备生产厂商的高度重视。因此，文中提出一种专门针对DMR系统的接收机设计，对射频信号采用两次下变频，先后得到45．05 MHz和455 kHz的两个中频信号，最后再由鉴频芯片TA31 136解调得到语音信号。本方案具有成本低，性能良好，接收分辨率高，覆盖范围广等优点，已成功应用在我们开发的DMR数字终端设备上。

1 本接收机的总体设计方案
    其中两个BPF均为分立元件搭建、陶瓷滤波器。MCF采用成品元件、IF AMP为三极管搭建，在此不进行详述。下面主要对各重要模块设计进行详细说明。

    (1)低噪放LNA的电路设计。
    本接收机用于实际批量产品，处于降低成本的考虑，低噪放LNA采用MOS管3SK318及外围电路来实现，其电路图，如图2所示。

    通过调节3SK318的偏执电路，当供电电压为5 V时，上图中有V1=4．91 V，V2=4．81 V，V3=0．99 V，V4=2．0 V，此时LNA的放大增益为20 dB。
    (2)接收机本振锁相环电路设计。
    本接收机的本振由MAX2620和MB15E03L所组成的锁相环频率合成器来提供。Maxim公司的MAX2620是一种使用非常方便的振荡器芯片，其内部组成，如图3(a)所示。MAX2620提供一个缓冲放大输出级，能够减少负载变化对振荡器频率的影响，供电电压范围为2．7～5．25 V，内部设有偏置电路以稳定其工作点，使工作受电源波动的影响减小，并具有电源关断能力，由SHDN端控制。两个互补的输出(OUT与OUT)可以构成两个单端输出或是一个差分输出，MAX2620采用双极技术，输出为集电极开路，因此输出需要上拉电阻。针对不同的负载两相输出功率分别可达-2 dBm和-10 dBm，在本设计中OUT输出已调频信号，OUT输出作为PLL反馈频率供鉴相使用。

    压控振荡器的设计采用传统的Colpitts共射串联谐振结构，这种结构可以工作在很宽的频率范围内以满足系统宽带要求。MAX2620采用双极设计结构，其交流小信号等效电路，如图3(b)所示，其中电容C1，C2，寄生电容Cp1、Cp2及跨导gm决定了振荡器的输入阻抗为
   
    Colpitts振荡器就是利用“负阻”原理实现振荡的。得到有源电路的输入阻抗及单端口网络参数S11之后，构建与有源部分相对应的LC谐振槽路。VCO整体结构，如图4中MAX2620部分所示。搭建VCO后，测量得到VCO振荡频率范围为：420～470

  Colpitts振荡器就是利用“负阻”原理实现振荡的。得到有源电路的输入阻抗及单端口网络参数S11之后，构建与有源部分相对应的LC谐振槽路。VCO整体结构，如图4中MAX2620部分所示。搭建VCO后，测量得到VCO振荡频率范围为：420～470 MHz@0～4 V，调制灵敏度为12．5 MHz／V，并且线性度良好。MAX2620内部集成了VCO缓冲放大输出级，能够减少负载变化对振荡器振荡频率的影响。输出以提升电感和串联电容匹配至50Ω负载，OUT端只需50Ω提升电阻并耦合反馈至频率合成器即可。
    完成VCO后根据所选路的PLL频率合成芯片设计环路滤波器。PLL频率合成芯片MB15E03SL是Fujitsu公司生产的串行输入吞脉冲PLL频率合成器，最高支持1．2 GHz的工作频率，内部集成了低噪声数字鉴相器，可设置双模比例因子M／M+1，14 bit可编程参考分频比R及18 bit的可编程N分频器，芯片提供非常简单的三线SPI串行输入设定上述各项参数得到所需频率，输出频率计算式为
   

    MB15E03SL其他参数详见数据手册，锁相环频率合成器设计原理图，如图4所示。

    根据系统要求：信道间隔12．5 kHz，容差±2 ppm，锁定时间<4 ms，根据文献[2]计算得环路带宽必须满足Fc≥1．6 kHz。由于增大环路带宽可以减小锁定时间，而环路太宽则会严重影响相位噪声，并且一般要求Fc不超过比较频率FPD的1／5，选择Fc=2．5．kHz。在VCO调制灵敏度等于20 MHz／V，电荷泵增益选择为Kφ=±1．5 mA，比较频率fPD=1 2．5 kHz，输出频率范围为420～470 MHz，环路滤波带宽Fc=2．5 kHz，相位裕量φ=48°，环路滤波极点比T3／T1=45％，参考输入频率13 MHz的条件下计算环路滤波器的各项参数。得到环路滤波器参数为：R_LF1=3．3 kΩ，R_LF2=5．6 kΩ，C_LF1=4．7 nF，C_LF2=47 nF，C_LF3=2．2 nF 。理论计算结果表明，在此环路条件下锁相环锁定时间Lock-time=1．3 ms，相位噪声能达到PN=-94．07 dBe／Hz@10 kHz，环路带宽Fc=2．56 kHz，相位裕量为39．52°，已经能够达到系统需求，根据此环路滤波条件建立调频锁相环原理图，如图4所示。图5为锁相环430 MHz时的杂波测试图。

    (3)下变频混频器电路设计。
    Maxim公司的MAX2680是一低功耗、低噪声系数，专门适用于低电压操作的下变频混频器。它的适用频率为400～2 500 GHz，供电电压为2．7～5．5 V，具有较高的三阶输入截止点(IIP3在2 450 MHz)和<0．1μA的低功率关闭模式，是手持通信设备的理想器件，因此本设计采用此芯片。电路设计，如图5所示。
    本接收机采用两次下变频进行鉴频，MAX2680为第一次下变频，产生一个45．05 MHz的中频信号。／SHDN为开关控制使能端，当为低电平时芯片不工作，当为高电平时芯片正常工作。接收的RF信号范围为400～450MHz，满足MAX2680的适用范围，本振信号L0由锁相环混频器产生。理论上，当RF为400 MHz，L0为445 MHz时，混频的增益为11 dB；而实际测量：当RF为405 MHz，功率为－48 dBm，L0为450．05 MHz，功率为－16 dBm时，输出IF为45．05 MHz，功率为-54 dBm。满足后续模块(鉴频芯片TA31136对输入信号的要求)对功率信号的要求。
    (4)鉴频器的电路设计。
    TA31136是一个低电压操作的FM中频检测芯片，它主要适用于无线电话机中。TA31136的工作电压为1．8～5．5 V，它内部包含了一个输入中频信号为10～100 MHz的2ndIF混频器，一个噪声检测电路、一个高增益的限幅中频放大器和一个陶瓷，中周均可适用的积分鉴频器，另外该芯片还具有RSSI功能。由于该接收机采用两次下变频鉴频，第二次下变频和鉴频均可在TA31136中实现，因此本设计采用该鉴频芯片，鉴频器电路设计，如图7所示。

    第一次下变频由MAX2680产生的45．05 MHz的IF信号经过晶体滤波器滤除邻近的杂波信号，通过IF放大器放大后，从TA31136的Pin16进入，与由晶振产生的44．595 MHz信号进行混频产生455 kHz的第二中频信号。455 kHz的中频信号从Pin3输出经由陶瓷滤波器XF3滤波，再从Pin5进入IC，经IC内部的IF放大器放大后输入到积分鉴频器中进行解调，最后经过一个LPF输出语音信号。TA31136输出的音频信号一部分通过一个分压电路进入IC的Pin7和Pin8，通过IC内部的滤波器和放大器对其噪声分量进行放大、整流产生一个和噪声分量相对应的直流电压信号，直流电压信号与来自MCU内部设定好的电压值比较大小，MCU根据比较结果输出高低电压信号来控制TA31136的Pin14来实现接收信号时静噪的打开和关闭。

    图9为接收机鉴频出的基带信号，可以看到解调出的信号失真很小。该接收机通过测试，鉴频出的信号与原信号误差<1％，符合无线通信要求。改变输入调频信号的功率，测得当为-80 dBm时，能有鉴频信号输出，当再<-80 dBm时，不能鉴频，即为接收机的接收灵敏度。

3 结束语
    实际的DMR接收机制作在一块20 cm×10 cm的4层印制板上，表面敷铜到地，供电电压为5 V。由3SK318、MAX2680、MAX2620、MB15E03SL和TA31136构建的调频接收机具有受外界分布参数影响小、调试方便、成本低廉等特点，目前已成功应用在开发的DMR数字终端设备样机中。