FM-SCA射频接收系统二本振电路的设计与分析

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FM-SCA射频接收系统二本振电路的设计与分析

     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。
7 N2 p  p& l7 B. @" a6 l- E    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。
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% v2 ~. d* [; d) i6 B3 d4 A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。
1 w! g1 z7 j+ [% T* `; p: g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正确性与稳定性。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,经一次混频、一中频滤波、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,较后得到数字信号。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。


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3 h1 m1 R5 e: `' O$ N; j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。

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二、二本振电路的设计
4 W6 w$ }( n( W7 u: V. [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。

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, ?. R4 i) g1 Q8 Z1 j, `    1.理论分析
. c1 c5 {* f6 S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。
, a5 ^: @* i" c. Y3 g; e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



+ Z" J$ j. B6 x0 H/ x) |! ]# u# v0 j虽然利用上式求解振荡频率,不仅计算麻烦,而且结果也不正确,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的有效值变大,Xact的有效值也变大;或当C2减小时,Ract的有效值也变大,Xact的有效值也变大,都会引起振荡电路的频率变高。
2.SPICE模拟
+ s9 x0 l; S( ~+ F2 M" L7 Q在工程估算的基础上,采用SPICE模拟,进一步较为正确地确定振荡元器件参数,以备实际设计的使用。
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    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,可以得到较为正确的谐振频率,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。


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    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。
5 g3 h( Z7 I  c2 E8 A' g& |' i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
: _0 c( F% f8 S! C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。
0 l/ f! l+ E* |0 z2 W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。
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; Q/ ]7 a8 r9 W+ R) _4 U    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。
$ {  v# g- L, s9 n: D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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