DMR终端锁相调频发射机设计
设计与实现
1 引言
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）。与ＴＥＴＲＡ和ｉＤＥＮ系统相比，ＤＭＲ系统具有易于实现、成本低廉等优势，已开始受到国内外各大集群设备生产厂商的高度重视。
【摘要】文章介绍了一种ＤＭＲ数字终端锁相调频发射机的设计与实现，首先阐述了其设计原理，然后利用振荡器芯片设计宽带调频ＶＣＯ，再与频率合成芯片构造锁相环调频器，最后利用ＲＦ２１１７进行功率放大，测试结果表明该设计具有良好的应用价值。
【关键词】 ＤＭＲ 压控振荡器 锁相环调频 功率放大器
李 伟 宋春涛 杨家玮 西安电子科技大学信息科学研究所
由于ＤＭＲ系统要求覆盖频率较宽，普通ＶＣＯ很难在覆盖范围、性能、成本及灵活性上都达到满意的要求，因此本设计提出了一种用ＬＣ集总元件配合集成振荡芯片ＭＡＸ２６２０构造的宽带调频ＶＣＯ，并在此基础上与ＭＢ１５Ｅ０３ＳＬ构造单点注入式锁相环调频器，得到的ＦＭ信号通过ＲＦ２１１７功率放大器，发射功率可达１Ｗ。本方案具有成本低、性能良好、
发射覆盖范围大的优点，已经应用在我们开发的ＤＭＲ数字终端设备上。
【作者简介】
邓孝祥：任教于黑龙江科技学院电气与信息工程学院，副教授，高级工程师，研究方向为电力电子与电力传动、信号与信息处理，主持多项横向课题，主持完成黑龙江省教育厅科学技术研究项目一项，发表
论文10余篇，主编高校教材一部。
王雪霞：哈尔滨工业大学通信与信息系统专业博士研究生，研究方向为信号与信息处理，主要研究领域为软件无线电、扩频通信、神经网络等。
赵晓妍：助教，毕业于黑龙江科技学院，同年留校任教，研究方向为
信号与信息处理。
cepstrum[J]. IEEE Signal Processing Magzine, 2004,21(5):95-106.
[5]杨忠,张建立.低信噪比直扩信号的周期特征检测与参
数估计[J]. 无线电工程,1995,25(6):14-20. ★
DMR终端锁相调频发射机设计
设计与实现
2 电路设计方案
锁相环的基本设计原理如图１所示：
图1 锁相调频原理
其中，ｆＲＥＦ为输入参考频率，Ｒ为前置分频比，ＰＤ为相位比较器，ＬＦ为环路滤波器，ＶＣＯ为压控振荡器，１／Ｎ为Ｎ分频器，Ｓｉｇｎａｌ为输入的基带信号，最终输出调频信号为ｆＦＭ，其中中心频率为：
ｆＣ＝ｆＲＥＦ﹒Ｎ／Ｒ
与ＤＭＲ终端发射机相关的主要性能指标为：
◆典型频率范围３８０ＭＨｚ￣４５０ＭＨｚ；
◆频道间隔１２．５ｋＨｚ；
◆容差：±２ｐｐｍ；
◆频偏：≤５ｋＨｚ；
◆锁定时间小于４ｍｓ。
综合考虑ＤＭＲ对频率源性能和项目降低成本的要求，ＶＣＯ的设计采用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ２６２０集成振荡器。ＭＡＸ２６２０为１０ＭＨｚ￣１０５０ＭＨｚ集成振荡芯片，拥有低闪烁噪声、低噪声系数及低寄生ｒｂ等特点，内部有源器件对谐振回路的“负阻”极低，可以获得较高的有载谐振Ｑ值，能够有效地降低振荡器相位噪声。
ＤＭＲ通信系统为窄带通信系统，选用在集群通信中应用成熟的串行输入ＰＬＬ频率合成芯片ＭＢ１５Ｅ０３ＳＬ。它具有低供电电压、低电流及高电荷泵增益等优点，广泛用于集群通信设备中。功率放大器（ＰＡ）采用ＲＦＭＤ公司的ＲＦ２１１７，ＲＦ２１１７为高功率射频放大器，在电池供电（３Ｖ￣５Ｖ）条件下，输出功率可达２Ｗ，具有３３ｄＢ以上的小信号增益，其中４００ＭＨｚ￣５００ＭＨｚ的典型工作频段正好适用于末级放大器。3 调频锁相环电路设计
ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ２６２０是一种使用极其方便的振荡器芯片，其内部组成如图２左图所示［１］。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＋２．７Ｖ￣＋５．２５Ｖ，而且内部设有偏置电路稳定其工作点，受电源波动的影响小，并具有电源关断能力。电源由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－２ｄＢｍ和－１０ｄＢｍ，在本设计中输出已调频信号，ＯＵＴ输出作为ＰＬＬ反馈频率供鉴相使用。
图2 MAX2620内部结构及小信号等效模型
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，可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２右图所示，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［３，４］，在得到有源电路的输入阻抗及单端口网络参数Ｓ１１之后，它构建与有源部分相对应的ＬＣ谐振槽路。ＶＣＯ整体结构如图３所示，搭建ＶＣＯ后测量得到发射ＶＣＯ振荡频率范围为：３７０ＭＨｚ￣４５０ＭＨｚ＠０￣４Ｖ，调制灵敏度为２０ＭＨｚ／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。ＯＵＴ输出以
上拉电感和串联电容匹配至５０欧姆负载，ＯＵＴ端只需５０欧DMR终端锁相调频发射机设计
设计与实现
姆上拉电阻并耦合反馈至频率合成器即可。
锁相调频主要采用单点注入的锁相环直接调频方式，输入信号通过电容耦合后直接改变ＶＣＯ中变容管容值，进而改变输出频率实现调频。本设计通过多次试验最终采用ＴＯＳＨＩＢＡ公司的１ＳＶ２２０，它具有良好的调制特性，满足设计要求。调频ＶＣＯ原理图如图３所示：
完成ＶＣＯ后，我们可以根据所选择的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１．２ＧＨｚ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比特可编程参考分频比（Ｒ）及１８比特的可编程Ｎ分频器（见图１虚线框内部分），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［５］，锁相环频率合成器设计原理图如图３所示。
系统要求如下：
信道间隔１２．５ｋＨｚ，容差±２ｐｐｍ，锁定时间小于４ｍｓ，根据文献［２］计算得环路带宽必须满足Ｆｃ≥１．６ｋＨｚ。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，因此选择Ｆｃ＝２．５ｋＨｚ。ＶＣＯ调制灵敏度等于
２０ＭＨｚ／Ｖ，电荷泵增益选择为ｋφ＝±１．５ｍＡ，比较频率
ｆＰＤ＝１２．５ｋＨｚ，输出频率范围为４２０ＭＨｚ￣４５０ＭＨｚ，环路滤
波带宽Ｆｃ＝２．５ｋＨｚ，相位裕量Φ＝４８o，环路滤波极点比Ｔ３／Ｔ１＝４５％。
在参考输入频率为１３ＭＨｚ的条件下计算环路滤波器的各项参数［２］，得到环路滤波器参数为：Ｒ＿ＬＦ１＝３．３Ｋｏｈｍ，
Ｒ＿ＬＦ２＝５．６Ｋｏｈｍ，Ｃ＿ＬＦ１＝４．７ｎＦ，Ｃ＿ＬＦ２＝４７ｎＦ，Ｃ＿ＬＦ３＝２．２ｎＦ。
理论计算结果表明，在此环路条件下锁相环锁定时间
Ｌｏｃｋｔｉｍｅ＝１．３ｍｓ，
相位噪声可以达到
ＰＮ＝－９４．０７ｄＢｃ／
Ｈｚ＠１０ｋＨｚ，环路
带宽Ｆｃ＝２．５６ｋＨｚ，相位裕量为３９．５２度，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３所示。图４为锁相环４３０ＭＨｚ时的杂波测试图。
4 功率放大器（PA）电路设计ＲＦ２１１７是一个高功放ＩＣ，在供电电压为３Ｖ￣５Ｖ的条件
下，输出功率最高可达２Ｗ，并且具有３３ｄＢ以上的小信号增
图4 430MHz载频处参考杂波
图3 锁相调频电路原理图
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图5 RF2117功率放大器电路原理图
图6 430MHz单音调频信号频谱及时间—频偏曲线
益，谐波抑制达到－３０ｄＢ以上，适合一些要求发射功率较高且为电池供电的手持终端设备，本设计方案采用此芯片。
ＲＦ２１１７采用先进的镓砷异质双极晶体管技术，专为４００ＭＨｚ￣５００ＭＨｚ频段使用设计，电路设计原理图如图４所示。ＲＦ２１１７具有工作使能端ＶＰＤ，当ＶＰＤ＝０，即低电平时，进入低功耗模式，发射机进入“待机”模式；当
ＶＰＤ为高电平时，进入“工作”状态。ＶＲＥＧ为电源校正控制输入端。根据数据手册要求调整为ＶＰＤ＝２．３Ｖ，ＶＲＥＧ＝２．８Ｖ，通过调节ＶＰＤ的电平值可以调节ＰＡ的增益，此电平值的调节由基带ＤＳＰ＋ＤＡＣ实现，ＲＦ２１１７的输入通过１００ｐＦ电容耦合，输出端通过
λ／４微带线上拉到电，并
通过一个低通滤波器匹配
到５０ｏｈｍ输出天线。本设计通过调节ＶＲＥＧ及优化输出匹配，可以使输出功率达到１Ｗ，即３３ｄＢｍ，二次谐波抑制达到－３０ｄＢｃ以上，从而满足系统的发射功率要求。
5 调频发射机测试结果
测试表明，基带调制信号频率在１００Ｈｚ￣４ｋＨｚ内时，发射机具有良好的调频特性。图６（上）为Ａｇｉｌｅｎｔ ８９６００系列矢量信号分析仪（ＶＧＡ）测量得到的已调频信号频谱，此时输入Ｖｐｐ＝２６０ｍＶ的单频３ｋＨｚ正弦信号，中心频率
４３０ＭＨｚ；图６（下）为８９６００解调出的时间—频偏曲线图，也可以理
解为解调输出信号。因为输入信号幅度即对应调频信号频偏，图５峰值对应的即为信号频偏，可以看到在上述条件下得到的调频信号的频偏满足＿△ｆ＿≤４．５ｋＨｚ，即系统对频偏的要求，并且具有良好的调频线性度。通过改变输入信号幅度，我们可以改变ＦＭ调制指数，从而改变频偏，频偏的调整由基带ＤＳＰ控制实现。若要修整不同频率的调制信号调频
DMR终端锁相调频发射机设计
设计与实现
参考文献
[1]CHRIS O’CONNOR. Develop a trimless voltage-
controlled oscillator[J]. Microwaves&RF, January
2000.
[2]DEAN BANERJEE. PLL performance,simulation,and
Design [M]. Handbook 4th Edition,2006:179-181,12
5-129.
[3]铃木雅臣著,彭军译. 晶体管电路设计(下)[M]. 北京:
科学出版社, 2004.
[4]JOHN ROGERS,CALVIN PLETT. Radio frequency
integrated circuit design[M]. Artech House
Boston,London,2003. ★
【作者简介】
李 伟：西安电子科技大学信息科
学研究所研究生，研究方向为移动
通信。
宋春涛：西安电子科技大学信息科
学研究所研究生，研究方向为移动
通信。
杨家玮：西安电子科技大学信息科
学研究所所长，教授，博士生导
师，研究方向为移动通信、无线通
信、通信系统性能评估。
特性，可以适当改变耦合电容Ｃ＿ＭＤ２的值或替换变容二极
管Ｄ５来实现。改变方法在此不赘述。
6 结论
在实际情况中，ＤＭＲ调频发射机制作在一块１０ｃｍ×
１０ｃｍ的４层印制板上，表面敷铜到地，供电电压为５Ｖ，参
考输入采用１３ＭＨｚ ＶＣＸＯ，并对输出信号线进行５０ｏｈｍ阻
抗匹配。由ＭＡＸ２６２０、ＭＢ１５Ｅ０３ＳＬ和ＲＦ２１１７构建的调频
锁相发射机具有受外界分布参数影响小、调试方便、成本低
廉等特点，目前已经应用在我们开发的ＤＭＲ数字终端设备
样机中。
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