基于DMR终端锁相环电路的调频接收机设计及案例分析
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。
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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。
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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。
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