IRIG－E标准FM－FM解调器的有关技术

 

    摘 要： 介绍遥测中的调频技术和IRIG标准，说明了IRIG－E标准FM－FM调频解调器的原理。主要对其中起关键作用的滤波器设计作了比较详细的说明，同时也介绍了有关的一些产品和设计思路。

     关键词：IRIG标准 FM解调 有源滤波器

    长期以来，在无线电遥测系统中，人们习惯采用频分制和时分制两种行之有效的复用方法。目前，国内的遥测设备也都采用这两种复用方法。由于数字技术的高速发展，时分多路复用得到了越来越广泛的应用，提出了各种各样的实用方法。但是，FM－FM频分遥测体制也以它独特的优点而获得广泛的应用。特别是在中容量，速变信号测试中显示了它的生命力。

    FM－FM系统的主要优点是抗干扰能力强，各通道的独立性强，系统构成灵活、方便，能传输连续信号和速变信号等。FM一个显著的优点是，在一个限定的无线信道带宽上，在相同的数据通道下，FM的容量是PCM的两倍。如果一个遥测系统只有几个通道（比如15或20个通道），使用FM方式的造价要比PCＭ低1。

    IRIG委员会在FM的标准中规定了可供选择的等比带宽（CBW）和比例带宽（PBW）的副载波和频偏值2。我们所研制的解调器即为IRIG－CBW－E标准，通道中心频率分别为128kHz，256kHz，384kHz，512kHz，640kHz和768kHz，频偏32kHz。调制频率的范围为100Hz~25kHz。

    由于PLL锁相环电路具有很好的调制跟踪特性，所以目前一般的ＦＭ解调器都采用PLL电路来进行解调。各种PLL集成电路的特性较好，同时调试也非常方便。在接收机解调系统中，我们采用了LM565和CD4046两种PLL集成块。这是由于LM565的工作频率低于500kHz，但它具有很好的宽带调频解调能力。在中心频率低的三个通道的解调性能比较好。CD4046的中心频率可以达到1MHz以上，可用于解调中心频率高的三个通道。

   解调电路的结构如下图1所示。

     R1、R2和Ｃ构成PLL的环路滤波器。在电路设计中，环路滤波器的设计比较重要，有关此方面的设计方法可参考[3]。

   1 分路滤波器

    分路滤波器用来从输入的复用信号即多路和信号中分选出每一路调频信号。应尽量滤除其他通道的影响。分路滤波器的中心频率对应为通道的副载频。由于它的性能直接影响到解调输出的信号质量，所以在解调系统中，这一环节的设计非常重要。

    分路滤波器采用对偶放大器带通（DABP）电路结构，每一节滤波器电路阶次为2，每一通道的分路滤波器由4个带通滤波器节即８阶滤波器构成，每一节电路图如图2所示。

    该电路与其他包含两个放大器的电路相比，可以得到关于Q值的良好性能，且灵敏度低、适应性强。其传递函数由下式给出：

     

    如果两个放大器的带宽几乎相等，则Q值偏离设计值极小。由于两个放大器相互之间能很好的匹配，所以每个滤波器节可使用对偶放大器。

    这一电路一个非常好的特性在于谐振频率和Q值可以独立地调整。调整时，首先调节R2使谐振频率为fr，然后调节电阻R1使Q值为要求值而不影响谐振频率。

    对偶放大器带通电路对设计Q值和频率范围很宽的滤波器是很有用的，元件的灵敏度低，谐振频率与Q值容易调整，元件值范围小。

    在实际应用中，还要在上述电路后加放大电路。以便调整输出增益。

    根据我们试验的结果，表明DABP这种滤波器比VCVS、双二次等其他形式的带通滤波器更稳定。

    用此电路构成的8阶带通滤波器具体采用巴特沃思、切比雪夫或椭圆函数滤波器的形式，应视具体情况而定。我们所用的是巴特沃思型，这是因为考虑到线性相位的问题。同时在设计过程中，可以利用文献[4]中的公式和表格进行设计，但目前有一些现成的滤波器设计软件都能完成此功能。我们使用的是Linear公司产品光盘中所附带的FCAD软件。关于此软件的使用可参考相关说明。每个通道分路滤波器各级的中心频率和Q值也不再列出。

    如果对应的带通滤波器中心频率低于300kHz，推荐使用MAX275，该芯片为连续时间模拟滤波器。设计比较简单，只需连接少量的电位器和固定电阻，同时也有相应的滤波器设计软件。Linear也有几种集成滤波器芯片，但中心频率都比较低。如果使用这种滤波器芯片，电路的体积就会减少很大一部分。

   2 输出低通滤波器

    PLL进行FM的锁相解调之后。要减少各次谐波失真，所以要经过低通滤波器。由于解调输出信号的频率一般都比较低，所以使用开关电容滤波器就可以非常好地实现所要求的指标。目前生产开关电容滤波器的厂家比较多，其中Linear的产品范围比较广，性能也比较好。我们使用的是Maxim的8阶巴特沃思型开关电容滤波器MAX295，它的时钟比为50:1，因而对应24kHz截至频率必须提供1．2MHz的时钟源。原理图如图３。

    由于开关电容滤波器MAX295输出信号增益为1，要满足最大频偏时对应相应的信号电压幅度，必须加一级放大。这时可以采用增益比较大的低通滤波电路，这样可以减少因放大所引起的谐波输出。该低通滤波器采用无限增益多反馈（MFB）低通滤波器电路。只有1节，共2阶。MFB 2阶低通滤波器节原理图如图4所示。

          

因为此电路有通过C1和R2的两个反馈支路，又因为在这里运算放大器是作为无限增益部件用，所以称为无限增益多通路反馈低通滤波器。该滤波器有反相（负）增益R2／R1，因而适用于在ω＝0附近要求有180°相移的场合。它的优点是所用的网络元件少，特性稳定，输出阻抗低。由于这部分的滤波器截至频率可以稍大一些，所以对于增益的调节可以通过调整R2和R1的比值得到。

    参考文献

      1 O．J．Strock著，齐连普等译．新一代计算机遥测系统．北京：航空工业出版社，1991

      2 程吉宽张鸣瑞郭建邦编．遥控遥测系统．北京：国防工业出版社，1981

      3 万心平张厥盛郑继禹．锁相技术．西安：西安电子科技大学出版社，1991

      4 阿瑟．B．威廉斯著，喻春轩等译．电子滤波器设计手册．北京：电子工业出版社，1986

      5 Analog  Devices  lnc..Amplifier  Reference  Manual.1992.

      6 Maxim , lnc.,New  Release  Data   Book.1996.

    收稿日期：1999-07-13）