汽车收音机射频电路设计指南 —电路图天天读（131）
汽车收音机应用环境的特殊性对电路性能具有更高的要求，而射频电路的设计是实现高性能的关键。本文介绍了TDA7513的射频电路设计方法，根据实际设计经验提出了提高射频电路EMC特性和噪声特性的设计方法和措施，并指出了射频电路性能测试的注意要点。射频电路是收音机电路设计的重点和难点，如果射频电路设计不好，收音机的噪限灵敏度和信噪比以及其它技术指标都会大大下降，甚至只能手动收到很少的几个广播电台，自动搜索电台功能失效。从收音机天线端的广播信号场强来看，信号的动态范围非常大，尤其是汽车收音机所处的环境变化快而大。
收音机射频电路通常很难集成进IC中，一般由分离元件组成前置低噪声放大器（LNA）和谐振带通滤波器。汽车收音机射频电路的作用从时域上看是要将微弱的广播信号放大，通过自动增益控制电路（AGC）为后级混频器提供稳定的载波信号强度；从频域上看，它要跟踪所选择的电台信号，滤除掉干扰信号如镜像频率（》60dB抑制）和本振频率，改善射频信号质量。
射频电路设计
图1是我们设计的汽车收音机射频电路方框图，它由天线滤波器和射频低噪声放大器以及谐振带通滤波器组成。该款汽车收音机的设计目标是噪限灵敏度为 0dBu（30dB S/N）、音频信噪比64dB、自动搜索灵敏度小于10dBu，具有较强的抗邻频道干扰和其它干扰信号能力，实现MCU全自动调整功能。
图2是汽车收音机TDA7513的FM收音机部分射频前端电原理图。C31、C32、D2（1SV172）、 C44组成调频波段天线信号调节电路，1SV172是VHF~UHF频段天线信号衰减器，它是电流控制型元件，随着电流的增大其阻抗减小。它受控于后级 FM宽带AGC和窄带AGC合成产生的FMAGC电流，起控点为天线信号电平57dBu。L5、C36、V2（KV1410）、C43、R19、C45组成天线带通滤波器，带宽为12MHz左右。该天线滤波器可以人工用无感调批调节射频线圈L5，也可以通过MCU调节变容二极管V2，从而实现自动调整功能。
Q2（3SK126）、C38、R15、R20、C46、R21、C47、C41、R17组成低噪声射频放大器，增益为30dB。本设计中选用N沟道场效应管3SK126作射频放大器具有输入阻抗高、增益高和噪声低的优点，而且是电压控制型器件，设计简单。Q2受控于后级FM宽带AGC和窄带AGC合成产生的FMAGC电压，起控点为天线信号电平78dBu。T3、C34、V1（KV1410）、C28、C35组成RF谐振带通滤波器，带宽为8MHz左右，T3为FM RF变压器。该带通滤波器同样可以人工用无感调批调节T3，也可以通过MCU自动调节变容二极管V1。接收机的接收极限是由接收机自身噪声性能决定的，所以在收音机的射频电路中要求尽量选用低噪声元件。
提高射频电路性能的措施
为提高收音机的EMC性能和降低收音机自身的噪声，采取下面的措施非常必要：
1. 选择正确的供电模式。当收音机工作时应关断对其它单元（如CD和DVD等）的供电，只对收音机单元供电。最好对FM和AM的射频电路分开供电，在FM模式只对FM的射频电路供电，关断对AM的射频电路供电，在AM模式只对AM的射频电路供电，关断对FM的射频电路供电。采取这样的措施后可以使整机信噪比至少改善10dB。
2. PCB板的布线也非常重要，应将FM射频电路、AM射频电路、OSC振荡电路、中频电路、功放电路的电源线和地线彼此隔离，并最后汇接到整机电源端。在空间许可条件下，可将FM和AM射频电路用屏蔽盒屏蔽起来。使用屏蔽盒可使整机信噪比改善4dB左右。晶体和本地振荡电路都应用各自的地线环绕起来，元件布局时应使输出的振荡信号线尽量短，这样有利于提高载噪比指标。
3. 应选择低EMI的MCU，甚至在MCU的程序中采取EMC指令来降低MCU对收音机的干扰。采用按键中断方式来代替常见的按键扫描方式，让MCU在收音状态下关断（即MCU停此振荡）等。采取这些措施可以使收音机的接收灵敏度提高15dBu左右。
4. 为防此闪电和雷击，有必要在天线端加上瞬态电压击穿（TVS）二极管，如SA5.0CA，这是ESD静电防护措施之一。TVS可以吸收高达数千瓦的浪涌功率，在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压箝制在预定水平。其响应时间仅为 10-12秒，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件，防雷击效果明显。
5. 汽车收音机工作环境温度变化大，因此射频电路元件的选择也要考虑温度特性。
射频电路性能测试
良好的射频电路设计必须通过正确的测试验证。影响收音机测试的因素很多，首先测试电缆的正确联接十分必要，如阻抗匹配，射频信号通过BNC 或SMA插座馈入收音机比用鳄鱼夹夹住天线端馈入收音机效果好，射频信号通过鳄鱼夹馈入收音机天线端射频信号会损失6dB左右；其次，AM/FM信号发生器的音频信号源频谱要纯净90dB信噪比左右），这一点可以从AM/FM信号发生器的用户手册中查看，也可以自己用频谱分析仪测试其性能。一般音频信号分析仪的音频信号源比较纯净，可以将它作为外部音频信号输入AM/FM信号发生器，这样一来测试信噪比和失真都比较简单。
随着集成电路、无线通信技术和嵌入式技术的发展，无线通信网络也应运而生，无线传感网络具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点。传统的无线射频通信模块体积大，需要控制芯片来控制射频模块，这就增加了设计的成本，而且可移动性不好。
半导体技术的不断进步使处理器芯片可以被集成为体积很小的一块，而价格变得更便宜，专用的无线网络芯片和技术也得到发展。文中采用了TI公司的CC430F5137设计并实现了一种应用于无线网络中的节点模块。CC430F5137是一款内部集成了射频核的芯片，它内置了CC1101射频核，使用单颗芯片就可以完成数据的采集、处理、发送与接收，使电路板的体积可以变得更小、更便宜。为了实现网络节点的低功耗设计，本文采用了射频模块的无线唤醒（WOR）功能。同时，利用射频核的空闲信道评估（CCA）功能改进了射频发送的算法，提高了多节点向中继器模块发送数据时的准确性。
总体设计方案
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的网络。它是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作的方式感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络所有者。无线传感器网络主要实现了数据的采集、处理和传输三种功能。
传感器网络节点一般受到工作环境的影响，功耗问题是要首先考虑的。考虑到低功耗要求的设计，节点设备的主控MCU选择 CC430F5137，利用它内置的射频通信模块进行射频通信。由于其低功耗的特点可采用电池供电。软件部分利用CC1101的无线唤醒功能，能史好地降低系统功耗。
无线传感器网络中可以挂接多个节点设备，而每个节点设备的地址必须唯一。本文设计的节点设备采用拨码开关来设置每个节点设备的地址，确保每个节点都有一个唯一的地址。通过SPI接口或I2C总线接入传感器器件，可以灵活地接入不同型号的传感器器件，以达到测试不同物理量的要求。节点的系统结构如图1所示。
节点硬件设计
节点电路总体设计
CC430F5137的供电电压范围为1.8～3.6 V，选程度用两节7号电池来提供3 V的直流电压。配合软件的设置可以最大程度地降低功耗。系统的关键部分是射频发送利用一个射频的天线模块，可以保证射频通信的稳定性，此无线模块由芯片的 RF_N和RF_P两个引脚接入。另外根据射频发送的需要，接入一个26 MHz晶振。
CC430F5137的P1.5、P1.6、P1.7引脚可以用于串口通信和SPI通信，使用这三个引脚作为串口调试，另外P1.1、P1.2、P1.3引脚可以用于SPI和I2C总线通信，这三个接口用来预留连接传感器的芯片。系统的主电路图如图2所示。
地址设定电路
为了使每个节点的地址唯一，采用8位的拨码开关SW进行地址设定。如图3所示，可以由拨码开关来设定终端节点的地址，可以设定255个不同的地址，每一个终端节点作为从设备向中继节点发送数据，然后由中继节点发送到用于网络管理的主控MCU，完成无线传感器网络数据的传送。
本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射频通信技术设计的无线数据采集节点，这种设计可以大大地减小系统的体积。本系统可以采集各种各样的信号，能将采集到的数据安全稳定地传送到中间数据采集点。设计中载波监听功能和信道空闲评估功能改进的射频发送函数，可以有效地提高多个节点同时发送数据时的抗干扰性。
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