摘 要： 介紹遙測(cè)中的調(diào)頻技術(shù)和IRIG標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明了IRIG－E標(biāo)準(zhǔn)FM－FM調(diào)頻解調(diào)器的原理。主要對(duì)其中起關(guān)鍵作用的濾波器設(shè)計(jì)作了比較詳細(xì)的說(shuō)明，同時(shí)也介紹了有關(guān)的一些產(chǎn)品和設(shè)計(jì)思路。
關(guān)鍵詞： IRIG標(biāo)準(zhǔn) FM解調(diào) 有源濾波器
各元件的取值可如下進(jìn)行設(shè)計(jì)：
長(zhǎng)期以來(lái)，在無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)系統(tǒng)中，人們習(xí)慣采用頻分制和時(shí)分制兩種行之有效的復(fù)用方法。目前，國(guó)內(nèi)的遙測(cè)設(shè)備也都采用這兩種復(fù)用方法。由于數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展，時(shí)分多路復(fù)用得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，提出了各種各樣的實(shí)用方法。但是，F(xiàn)M－FM頻分遙測(cè)體制也以它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛的應(yīng)用。特別是在中容量，速變信號(hào)測(cè)試中顯示了它的生命力。
FM－FM系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，各通道的獨(dú)立性強(qiáng)，系統(tǒng)構(gòu)成靈活、方便，能傳輸連續(xù)信號(hào)和速變信號(hào)等。FM一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，在一個(gè)限定的無(wú)線(xiàn)信道帶寬上，在相同的數(shù)據(jù)通道下，F(xiàn)M的容量是PCM的兩倍。如果一個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)只有幾個(gè)通道(比如15或20個(gè)通道)，使用FM方式的造價(jià)要比PCM低[1]。
IRIG委員會(huì)在FM的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了可供選擇的等比帶寬(CBW)和比例帶寬(PBW)的副載波和頻偏值[2]。我們所研制的解調(diào)器即為IRIG－CBW－E標(biāo)準(zhǔn)，通道中心頻率分別為128kHz，256kHz，384kHz，512kHz，640kHz和768kHz，頻偏32kHz。調(diào)制頻率的范圍為100Hz～25kHz。
由于PLL鎖相環(huán)電路具有很好的調(diào)制跟蹤特性，所以目前一般的FM解調(diào)器都采用PLL電路來(lái)進(jìn)行解調(diào)。各種PLL集成電路的特性較好，同時(shí)調(diào)試也非常方便。在接收機(jī)解調(diào)系統(tǒng)中，我們采用了LM565和CD4046兩種PLL集成塊。這是由于LM565的工作頻率低于500kHz，但它具有很好的寬帶調(diào)頻解調(diào)能力。在中心頻率低的三個(gè)通道的解調(diào)性能比較好。CD4046的中心頻率可以達(dá)到1MHz以上，可用于解調(diào)中心頻率高的三個(gè)通道。
解調(diào)電路的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
R1、R2和C構(gòu)成PLL的環(huán)路濾波器。在電路設(shè)計(jì)中，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)比較重要，有關(guān)此方面的設(shè)計(jì)方法可參考[3]。
1 分路濾波器
分路濾波器用來(lái)從輸入的復(fù)用信號(hào)即多路和信號(hào)中分選出每一路調(diào)頻信號(hào)。應(yīng)盡量濾除其他通道的影響。分路濾波器的中心頻率對(duì)應(yīng)為通道的副載頻。由于它的性能直接影響到解調(diào)輸出的信號(hào)質(zhì)量，所以在解調(diào)系統(tǒng)中，這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)非常重要。
分路濾波器采用對(duì)偶放大器帶通(DABP)電路結(jié)構(gòu)，每一節(jié)濾波器電路階次為2，每一通道的分路濾波器由4個(gè)帶通濾波器節(jié)即8階濾波器構(gòu)成，每一節(jié)電路圖如圖2所示。
該電路與其他包含兩個(gè)放大器的電路相比，可以得到關(guān)于Q值的良好性能，且靈敏度低、適應(yīng)性強(qiáng)。其傳遞函數(shù)由下式給出：
C是任意的，R4＝R5選擇為任意合適的值(比如10kΩ)。
如果兩個(gè)放大器的帶寬幾乎相等，則Q值偏離設(shè)計(jì)值極小。由于兩個(gè)放大器相互之間能很好的匹配，所以每個(gè)濾波器節(jié)可使用對(duì)偶放大器。
這一電路一個(gè)非常好的特性在于諧振頻率和Q值可以獨(dú)立地調(diào)整。調(diào)整時(shí)，首先調(diào)節(jié)R2使諧振頻率為fr，然后調(diào)節(jié)電阻R1使Q值為要求值而不影響諧振頻率。
對(duì)偶放大器帶通電路對(duì)設(shè)計(jì)Q值和頻率范圍很寬的濾波器是很有用的，元件的靈敏度低，諧振頻率與Q值容易調(diào)整，元件值范圍小。
在實(shí)際應(yīng)用中，還要在上述電路后加放大電路。以便調(diào)整輸出增益。
根據(jù)我們?cè)囼?yàn)的結(jié)果，表明DABP這種濾波器比VCVS、雙二次等其他形式的帶通濾波器更穩(wěn)定。
用此電路構(gòu)成的8階帶通濾波器具體采用巴特沃思、切比雪夫或橢圓函數(shù)濾波器的形式，應(yīng)視具體情況而定。我們所用的是巴特沃思型，這是因?yàn)榭紤]到線(xiàn)性相位的問(wèn)題。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以利用文獻(xiàn)[4]中的公式和表格進(jìn)行設(shè)計(jì)，但目前有一些現(xiàn)成的濾波器設(shè)計(jì)軟件都能完成此功能。我們使用的是Linear公司產(chǎn)品光盤(pán)中所附帶的FCAD軟件。關(guān)于此軟件的使用可參考相關(guān)說(shuō)明。每個(gè)通道分路濾波器各級(jí)的中心頻率和Q值也不再列出。
如果對(duì)應(yīng)的帶通濾波器中心頻率低于300kHz，推薦使用MAX275，該芯片為連續(xù)時(shí)間模擬濾波器。設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只需連接少量的電位器和固定電阻，同時(shí)也有相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)軟件。Linear也有幾種集成濾波器芯片，但中心頻率都比較低。如果使用這種濾波器芯片，電路的體積就會(huì)減少很大一部分。
2 輸出低通濾波器
PLL進(jìn)行FM的鎖相解調(diào)之后。要減少各次諧波失真，所以要經(jīng)過(guò)低通濾波器。由于解調(diào)輸出信號(hào)的頻率一般都比較低，所以使用開(kāi)關(guān)電容濾波器就可以非常好地實(shí)現(xiàn)所要求的指標(biāo)。目前生產(chǎn)開(kāi)關(guān)電容濾波器的廠家比較多，其中Linear的產(chǎn)品范圍比較廣，性能也比較好。我們使用的是Maxim的8階巴特沃思型開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX295，它的時(shí)鐘比為50:1，因而對(duì)應(yīng)24kHz截至頻率必須提供1.2MHz的時(shí)鐘源。原理圖如圖3。
由于開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX295輸出信號(hào)增益為1，要滿(mǎn)足最大頻偏時(shí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的信號(hào)電壓幅度，必須加一級(jí)放大。這時(shí)可以采用增益比較大的低通濾波電路，這樣可以減少因放大所引起的諧波輸出。該低通濾波器采用無(wú)限增益多反饋(MFB)低通濾波器電路。只有1節(jié)，共2階。MFB 2階低通濾波器節(jié)原理圖如圖4所示。
因?yàn)榇穗娐酚型ㄟ^(guò)C1和R2的兩個(gè)反饋支路，又因?yàn)樵谶@里運(yùn)算放大器是作為無(wú)限增益部件用，所以稱(chēng)為無(wú)限增益多通路反饋低通濾波器。該濾波器有反相(負(fù))增益R2/R1，因而適用于在ω＝0附近要求有180°相移的場(chǎng)合。它的優(yōu)點(diǎn)是所用的網(wǎng)絡(luò)元件少，特性穩(wěn)定，輸出阻抗低。由于這部分的濾波器截至頻率可以稍大一些，所以對(duì)于增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)整R2和R1的比值得到。
參考文獻(xiàn)
1 O.J.Strock著，齊連普等譯.新一代計(jì)算機(jī)遙測(cè)系統(tǒng).北京：航空工業(yè)出版社，1991
2 程吉寬,張鳴瑞,郭建邦編.遙控遙測(cè)系統(tǒng).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981
3 萬(wàn)心平,張厥盛,鄭繼禹.鎖相技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991
4 阿瑟.B.威廉斯著，喻春軒等譯.電子濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：電子工業(yè)出版社，1986
5 Analog Devices,Inc.,Amplifier Reference Manual.1992
6 Maxim,Inc.,New Release Data Book.1996