FM-SCA射频接收系统二本振电路的设计与分析

时间：2008-05-30 10:23:00

关键字：电路射频接收系统 FM BSP

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[导读]文中采用理论分析、SPICE模拟及实际调试相结合的方法，确定振荡电路的结构及其振荡电路的元器件参数。经生产实践证明，该电路满足易起振、振荡频率稳定、振荡幅度高等条件。

摘要：综合分析FM-SCA射频接收中二本振电路。该二本振电路采用了MC3374内部振荡电路。文中采用理论分析、SPICE模拟及实际调试相结合的方法，确定振荡电路的结构及其振荡电路的元器件参数。经生产实践证明，该电路满足易起振、振荡频率稳定、振荡幅度高等条件。
关键词：FM-SCA射频接收振荡电路 SPICE模拟

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<<C2，故工程计算时可忽略负载的影响。首先计算得出：gmQ=3.79e-3，而gmin=ReXc1Xc2=130×3.14 2×522 2×10 6 ×330 2×10 -24=1.52e-4(在f=522kHz下)，故：gmin/gmQ=0.04。

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。