一种高性能低功耗超小型FSK无线寻呼射频接收机

戴永胜 陈其友戴美泰 林润强

1引言
　　
无线寻呼射频接收机有多种方案，从常规的一次或两次变频的超外差式到零中频直接变换式和带有低电压锁相环的频率自动漫游式，各种方案各有千秋。由于两次变频的超外差式方案最为成熟、电性能最优、各种元器件供货一般不受限制，加之这种方案对寻呼系统的发射机要求最低，因此对电性能要求高的场合，其使用最为普遍。
　　
2无线寻呼射频接收机的总体结构
　　
2?1无线寻呼射频接收机的总体结构考虑
　　
这种接收机总体考虑一般包括以下几个方面：
　　
（1）根据无线寻呼接收机的总体技术要求合理选择射频接收机的方案；
　　
（2）根据无线寻呼接收机整机的外观结构要求，合理选择射频接收机在整机中的位置；
　　
（3）根据所选择的射频接收机方案和整机中空间的相对位置，进行结构设计、元件选择和电路版图设计及体积最小化设计；
　　
（4）与射频接收机本身电性能相关的各部分电路（从天线到不归零（NRZ）信号输出各级电路）的设计和最佳方案的选择与优化及指标分配；
　　
（5）与射频接收机电性能相关各部分电路的功耗最小化设计；
　　
（6）与射频接收机电性能相关的寻呼接收机数字电路、液晶显示电路和电源变换电路的抗内部干扰设计；
　　
（7）与射频接收机电性能相关的方案选择、空间相对位置、功耗和抗寻呼接收机内部干扰的综合设计。
　　
（8）与大批量生产相关的各电路元件参数数值的容差设计。
　
2?2无线寻呼射频接收机的设计
　　
2?2.1方案选择
　　
根据无线寻呼接收机的总体技术要求，本文采用了两次变频的超外差式无线寻呼射频接收机方案。其电路框图如图1所示。

图1两次变频超外差式无线寻呼射频接收机的电原理框图
　　
2.2?2天线设计及考虑
　　
天线是接收机中将空间传输的电磁波转换成导行波的关键装置，无线寻呼射频接收机中的天线设计及考虑是根据其结构特点和实际使用中电磁波传输的边界条件及实际状况来选择天线型式。其中主要考虑大地、人体效应及寻呼机内金属体的影响。由电磁场理论可知，站在大地上的人体附近的电磁波其磁场强度比电场强度要强得多，加之无线寻呼机实际结构的限制，因此，无线寻呼射频接收机天线几乎都采用小型磁耦合天线，这种天线一般有两种型式：（1）小环天线；（2）铁氧体天线。由于铁氧体天线比小环天线造价高、体积大、天线损耗大、设计和结构复杂，而且电性能不比小环天线好，本文采用了磁耦合小环天线。
　　
磁耦合小环天线实际结构型式有多种，如单环或多环，可用薄铜皮、圆导线和印刷电路板等材料来实现。一般根据实际要求来确定。磁耦合小环天线设计理论较为复杂，限于篇幅，这里不做介绍。需要指出的是：天线的输入阻抗、增益与环的结构、面积、材料的微波损耗及空间耦合的边界条件相关。天线性能的优劣及匹配状态与整机的灵敏度密切相关。
　　
2?2.3各级电路的功能、设计考虑及要点
　　
各级电路中设计的基本考虑为：保证各级电路本身电性能尽可能最佳，在保证电性能最佳的前提下功耗要尽可能小，同时在结构设计和版图设计中要考虑尽可能减小寻呼机内部的数字电路、液晶显示电路和电源变换电路的干扰。各级电路具体描述如下：
　　
（1）低噪声放大器
　　
与灵敏度密切相关，为保证高性能、低功耗，采用共发/共基电路，通常这要通过选择高性能、低功耗的晶体管和输入端与天线电路的最佳噪声量度匹配及输出端与镜像抑制滤波器的共扼匹配来实现。同时后级的噪声贡献要尽可能的小，即镜像抑制滤波器的插入损耗和第一下变频器的噪声系数尽量小。
　　
（2）镜像抑制滤波器
　　
主要完成镜像抑制功能，这是保证高镜像抑制度的关键。一般要求有低的插入损耗和高的镜像频率抑制度，通常由声表面波滤波器、LC元件构成的滤波器或是两者结合的滤波器构成，由于声表面波滤波器的尺寸和损耗较大、成本高，本文采用LC元件构成的串联与并联谐振相结合的椭圆函数多级滤波器，设计时考虑了兼顾批量生产时元件值的容差。
　　
（3）第一下变频器和第一本振及21.4MHz的第一中频晶体滤波器和放大器
　　
将载波信号变换到21.4MHz的第一中频经滤波放大后，送入第二混频、本振和中频放大及鉴频专用集成电路。本文采用了低本振方案，这级电路中的关键是选用高性能低功耗的混频和振荡晶体管以及合适的电路拓扑，下变频器采用了载波信号和本振信号由基级输入，中频集电极输出的共发电路，合适的偏置条件使其仅需要小的本振信号电平，便获得好的变频增益和较低的噪声系数，本振电路采用了低电压和低电流条件下可稳定振荡电路及温度补偿电路。 21.4MHz滤波器采用了常规的邻道抑制滤波器，其后为低功耗的中频放大器。

（4）第二混频、本振和中频放大及鉴频专用集成电路
　　
完成变频到455kHz及经过455kHz邻道抑制陶瓷滤波器与21.4MHz邻道抑制滤波器一并保证邻道抑制指标，在455kHz频率上鉴频放大后的信号经基带滤波和差分放大以不归零的FSK信号输出，经电平匹配后送入解码器。
　　
(5)各级电路间的匹配设计
　　
对保证优异的灵敏度、镜像抑制度和邻道抑制度至关重要,须精心匹配和实验。
　　
（6）各级电路的功耗设计
　　
为保证低功耗要求，同时又要保证各级的电性能指标，因此必须合理分配各级功耗指标。无线寻呼射频接收机的工作电压为1V～1.6V，各级工作电流分配如下：（1)低噪声放大器：约0.6mA；（2)第一本振：约0.6mA；（3)第一下变频器：约0.3mA；（4)第一中频放大器：约 0.3mA；（5)第二混频、本振和中频放大及鉴频专用集成电路：约0.7mA。余出约0.5mA考虑各批次晶体管参数的差异和偏置电阻值的容差范围。
　　
（7）抗无线寻呼接收机的内部干扰设计
　　
无线寻呼接收机的内部干扰主要来自CPU、DC－DC变换器和液晶显示电路。这些内部干扰严重影响射频接收机的灵敏度、镜像抑制度和邻道抑制度的指标。解决的方法是如何将干扰源减至最小和射频接收机电路如何实现有效的抗干扰。如何将干扰源减至最小的问题与数字电路、电源变换电路、液晶显示电路及软件相关，不属于本文讨论范围，而射频接收机电路本身如何实现有效的抗干扰主要采取以下措施：(1)在空间相对位置总体结构的设计中，要考虑载频的小信号区域尽可能远离干扰源；(2)数字电路地和射频电路地之间采用隔离、滤波措施减小射频电路和干扰源之间的耦合；(3)对敏感部位必要时采用地屏蔽的方法。
　　
3性能及应用
　　
基于上述考虑和讨论的方法，所研制的无线寻呼射频接收机用于广东省移动通信总公司及中山广华公司联合研制的讯灵通KW系列（KW8000、 KW9000和KW9000S）的高性能中英文寻呼接收机，经国家权威部门测试（在152.650MHz和280.625MHz频率下），获得了连续5次无误码灵敏度的电平：－110dBm；
　　
邻道抑制度：≥70dB；镜象抑制度：≥70dB；电性能优异。相应射频接收机的功耗为：射频接收机工作电压1V～1.6V,接收状态下工作电流≤3mA,体积：9.8mm×48mm×12.8mm（KW8000）。实际应用实验表明在信号场强较弱时，国外同类产品均无法正常接收，而采用本文介绍的无线寻呼射频接收机的中英文寻呼机均能正常接收。国家权威部门的测试和实际应用结果均表明，采用这种无线寻呼射频接收机的中英文寻呼机的电性能远优于国外同类产品。
　　
4结语
　　
本文介绍了一种高性能、低功耗、超小型的无线寻呼频率键控（FSK）数字调频射频接收机。国家权威部门测试和实际应用结果均表明，采用这种无线寻呼射频接收机的中英文寻呼机，电性能远优于国外同类产品。本文所讨论的许多实际技术问题及解决的方法和思路，在本文介绍的无线寻呼射频接收机研制和批量生产中，已证实非常有效。对同类和类似产品提高电性能、降低功耗和抗内部干扰设计或许有着重要的参考价值。

http://article.ednchina.com/Commu/A_high_performance_ultra_compact_low_power_FSK_receiver_RF_wireless_paging1.htm