DMR 之不同射频架构
对讲机行业目前有几百家企业在生产不同品质、不同价格的产品。其中高性能、高价格的产品以行业龙头摩托罗拉和海能达为代表, 这两个品牌真正自己生产(非贴牌)的中高端机器基本是超外差架构。另外一部分品牌以及摩托罗拉的一些副厂产品,部分采用了高集成的 零中频架构。下面我们就讨论下这两种架构对用户使用带来哪些区别, 本文只讨论接收部分。
先说说什么是超外差架构。先搬一张某经典机型接收机框图:
接收天线下来首先是收发开关(ANT SW),它负责打开和关闭收发信号。然后是 LNA 进行信号放大,LNA 前后各包含有一个带通滤波器(BPF)。正规机器通常是用几个变容管和线圈等器件构成电调谐带
通滤波器,行业内简称电调,会跟踪有用信号的频点而调节自身谐振点。它的作用是对外部接收信号做选择,抑制干扰信号。如果缺失了电调滤波器,强干扰会直接打入 LNA 或混频器,导致它们饱和,机器出现接收困难(实际灵敏度瞬间恶化)。
放大器后面是第一级混频器(MIXR),混频后的信号变成第一中频信号,通常是几十兆赫兹。混频时,性能的一个关键在于本振信号(PLL)的纯度(相位噪声),这将影响接收机抗干扰性能。目前业界频谱纯度能达到专业对讲机要求的(-120dbc/Hz @10k offset),一种是用分立元件做独立 VCO,一种是用 TI 产 LMX2571,国产器件还有待提高。
第一级混频器后面紧跟着的是晶体滤波器(MCF),这是一种非常特殊和精准的滤波器件,能够做到 12.5KHz 这么小的带宽,带外干扰滤除效果非常明显!上图吧:
这是日本 KDS 晶体滤波器的特性,能够对干扰衰减 60dB,也就是 1000000 倍。
晶体滤波器后面是中频放大器,然后是中频接收芯片。芯片里面进行第二次混频和带通滤波,解调出 FM 音频供后级音频电路发出声音。这里的带通滤波器再次对带外干扰信号做滤除,保证接收稳定。在一二十年前主要是用日本东芝的 TA31136,现在海能达有在用日本 AKM 的 AK2365A 替代。后者有个进步是把外部的第二中频滤波器和陶瓷鉴频器集成到 IC 中了。
综合以上分析可以看到,专业对讲机接收机信号经过了至少 3 次射频滤波,层层滤波净化后的信号才进行解调。用几张简图总结一下信号提纯过程吧。
天线接收的信号中,s 代表有用信号,i1 和 i2 是近端和远端干扰信号,蓝色曲线代表电调滤波器特性曲线:
经过电调滤波器后,远端干扰被消除,但电调滤波器带宽较宽, 对近端干扰衰减不够。如下信号被转成中频
中频滤波器都是很精准的窄带滤波器,弥补电调的不足,滤波原理如下:
残留的干扰 i1’在 MCF 带外,会被完美滤除:
这就是超外差电路对抗干扰的整个过程,其中第二中频滤波器的过程与 MCF 类似,不再赘述。简单讲就是 3 次滤波来消除干扰。
下面对照一款专业机主板实物看看:
这是日本的一款经典产品。最右侧红色箭头是天线输入焊接口, 紫色圈里 3 个线圈是低通滤波器,黄色圈里是 LNA 放大管,若干红色小圈内是构成电调滤波器的电感线圈和变容二极管,绿色圈是晶体滤波器,晶体滤波器上方格子是独立本振,蓝色圈是解调芯片 TA31136 及配套器件。
下图是一款专业级 DMR 模块的实物图:
每个颜色的器件都能和前面的专业机型对应,其中电调部分采用空心线圈获得更好的 Q 值,晶体滤波器与前款产品是同一品牌(KDS),浅蓝色圈里的独立本振是 TI 的 LMX2571,深蓝色圈里是解调芯片 AK2365A。这两款芯片都是近年出现并被摩托和海能达专业机采用的型号。
再看一看中低端机器是什么样的:
可以看到,两款低端机器电路很简洁,蓝色部分用国产接收芯片代替了专业机里面的一大片电路。上面那一款最低端的版本在 LNA 部分的电调滤波器(BPF)也省掉了,对抗干扰就只能看国产芯片自己了。
市面上的 DMR 机器从两百多到几千块都有,质量也是有几个档次。超外差和国产单芯片的方案目前都出货很多,前者主要是性能稳定、抗干扰性强,缺点是电路复杂、成本高,一般是大品牌专业机在用。后者简单实用,很多消费级的中小品牌产品采用,但还没有出现在摩托罗拉(非贴牌)和海能达的产品中。因为有电调滤波器在 LNA 前面,滤除干扰的同时也降低了接收机灵敏度。有电调的产品灵敏度未必很高,但在有干扰的环境下实际灵敏度不会下降,用户体验稳定可靠。两者从外观也容易区分,线圈少于 8 个的很可能没有电调;有没有晶体滤波器也一看便知。
在有其他频点的对讲机同时工作,或在铁路、电力等强电磁干扰环境下,都很容易出现突发的远、近端干扰信号。随着国内汽车的普及,汽车电路干扰也经常在我们测试中出现。如果接收机没有充分处理,用户就会感觉信号时好时坏,不稳定。而农村或郊外用户所面临的干扰情况比较少。大家应根据使用环境选择合适的产品方案。