?

1系統方案

1.1系統整體設計方案

? ? 該系統由發送裝置和接收裝置組成。通過發送端對數字信號和模擬信號的合路處理后，實現混合信號的調制發送；利用單路轉差分實現兩路信號的分離，然后再分別實現兩路信號的解調與顯示。發送裝置和接收裝置均由電池單電源供電，經電源轉換模塊后滿足各電路模塊的供電需求。

? ? 發送裝置主要包括數字信號發生器、數字-模擬信號合成電路、DDS模塊、SSB調制電路和功率放大器。利用MCU和DDS產生FSK數字信號，將FSK信號與模擬信號進行乘法合路后，采用SSB調制減少功耗，設計功率放大器以滿足天線發送功率需求。

接收裝置接收到混合信號后，利用低噪聲小信號放大、混頻和陶瓷濾波實現合路信號解調功能，利用單端轉差分電路實現模擬部分與數字部分的分離。模擬部分采用包絡檢波解調方式，數字部分通過零中頻混頻電路將FSK轉變為ASK后，再通過包絡檢波和過壓比較器實現數字信號解調，最后通過數碼管進行顯示。

? ? 在發送端的合路電路輸出端、發送天線前端、電池單電源供電輸出點預留測試端口，用于觀察合路信號波形、觀測已調信號的帶寬和測量發送端功耗。數字-模擬信號混合傳輸收發機總體設計框圖如圖1-1所示。

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圖1-1 數字-模擬信號混合傳輸收發機系統整體設計框圖

1.2方案論證與選擇

1.2.1數字-模擬信號合路電路

方案一：數字-模擬信號通過加法器進行合路，合路后信號為時域上直接相加，頻域上數字、模擬信號可能產生混疊，不利于后續電路的調制與解調。

方案二：數字-模擬信號通過乘法器AD835進行合路，后續調制解調較為方便，且外圍電路較為簡單。

考慮到調制與解調的便捷與準確性，選擇方案二。

1.2.2解調混頻器

方案一：基于二極管搭建的無源混頻電路，該混頻器產生穩定、頻率可調的信號較為困難，且電路復雜度較高。

方案二：采用AD831乘法器進行混頻，該乘法器可在直流條件下工作，且工作最高頻率為500MHz，遠遠超過設計需求，外圍電路簡單。

綜上所示，考慮到電路復雜度以及系統穩定性，選擇方案二。

1.2.3數字信號編碼與解碼

方案一：利用現有串口通信協議，調節波特率達到數據幀的頻率輸出，輸出數據及解碼方便，傳輸速率快。

方案二：單片機IO口輸出高低電平延時，通過曼徹斯特編碼解碼方式對輸入的數字信號進行發送，但是曼徹斯特編碼解碼過程比較復雜，且占用數據位數比較多，實現難度較高。

綜上所述，考慮到信號的傳輸速率以及解碼速率，選擇方案一。

2理論分析與計算

2.1數字-模擬信號合路理論分析與計算

為在較窄帶寬內完成數字-模擬信號的混合傳輸，先將MCU產生的0、1數字信號轉變為FSK信號，然后利用AD835實現模擬信號與FSK數字信號的乘法合路。具體公式如下：

當正弦信號表達式以及FSK信號表達式分別為

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時，則乘法合路后信號表達式為

2.2混合信號調制發送理論分析與計算

? ? 目前主流的調制方式有：FM、AM、DSB、SSB等方式。FM調制抗干擾性強，是目前主流的調制發送方式，但是頻偏的設置要求較大的信道帶寬，難以滿足設計要求。AM、DSB調制也存在信道帶寬占用過大的問題。因此，考慮到系統整體的功耗、信道利用率以及電路復雜度，在本系統設計中采用SSB調制。

? ? 生成SSB信號可以通過先產生一個DSB信號，再讓其通過一個邊帶濾波器，濾除不要的邊帶后，即可得到單邊帶SSB信號。令DSB信號的時域表達式為：

則下邊帶LSB信號對應的時域表達式為：

2.3信道帶寬設計理論分析與計算

? ? 為滿足發揮部分需求，模擬信號頻率范圍設定為50Hz-10kHz，占用信道寬度可近似看成10kHz，當模擬信號和數字信號進行合路相乘后，合路信號中模擬信號發生了上下變頻，占用信道帶寬增加至20kHz，為滿足信道寬度不超過25kHz的設計要求，將FSK數字信號的跳頻頻率設為5kHz。此外，當合路信號和載波調制后產生上下變頻情況，使得信道占用寬度上升至50kHz，故最終采用USB下邊帶調制方法，只需要25kHz的信道寬度就能實現對數字-模擬信號的合路調制與解調。

3電路與程序設計

3.1數字-模擬信號混合傳輸的無線收發機系統硬件電路的設計

3.1.1數字-模擬信號合路電路設計

? ? 數字-模擬信號的合路通過AD835完成。AD835是一個四象限的電壓輸出模擬乘法器，能夠實現對輸入信號X,Y的線性相乘，外圍電路簡單。基于AD835的數字-模擬信號合路電路原理圖如下圖3-1所示。

3.1.2調制發送電路設計

? ? 合路信號的調制采用AD831完成，經過計算，將AD831的外部電容C124，C125的值改為560p，更加符合電路設計要求，基于AD831的調制電路原理圖如下圖3-2所示。

圖3-1 基于AD835的合路電路原理圖 圖3-2 基于AD831的調制模塊電路原理圖

3.1.3接收解調電路設計

? ? 解調信號先通過一個小信號放大器ERA-8SM+進入到解調混頻模塊中，解調混頻模塊由基于AD831的乘法器完成。能將已調信號解調至混合基帶信號，便于后續數字-模擬信號的分離。基于ERA-8SM+和AD831的接收解調電路原理圖如圖3-3所示。

圖3-3 基于ERA-8SM+和AD831的接收解調電路原理圖

3.1.4收發機分離電路設計

? ? 合路電路經過一個單端轉差分電路分成兩路，再進行后續處理。單端轉差分電路采用AD8138進行設計，將AD8138的增益設置為1，避免因增益過大而導致信號失真。基于AD8138的單端轉差分電路原理圖及PCB圖如圖3-4所示。

圖3-4 基于AD8138的單端轉差分電路原理圖及PCB圖

? ? 模擬信號處理電路利用肖特基二極管進行包絡檢波，得出模擬信號，再通過一個帶通濾波器濾除無關雜波，得到穩定的模擬信號，基于NE5532的帶通濾波電路原理圖如圖3-5所示。

? ? 數字信號處理電路利用ADL5801零中頻混頻器將FSK信號轉成ASK信號，再進行包絡檢波等后續操作解調出數字信號。基于ADL5801的零中頻混頻電路原理圖如圖3-6所示。

圖3-5 基于NE5532的帶通濾波原理圖 圖3-6 基于ADL5801的零中頻混頻器原理圖

3.2數字-模擬信號混合傳輸的無線收發機系統程序設計

? ? 數字-模擬信號混合傳輸的無線收發機系統程序設計部分由發送機程序和接收機程序兩部分構成。

3.2.1數字-模擬信號混合傳輸發送機程序設計

? ? 發送機MCU程序主要由DDS載波頻率控制以及數字信號發送兩個模塊構成。MCU開啟后會控制DDS輸出一個固定載波頻率，通過按下不同的鍵值可以更改輸出的載波頻率。通過串口屏輸入數字信號并進行處理，通過按下up鍵可以發送處理后數字信號。發送機程序流程圖如圖3-7所示。

3.2.2數字-模擬信號混合傳輸接收機程序設計

? ? 接收機MCU程序主要由DDS本振頻率控制以及控制數碼管亮滅兩部分構成。MCU開啟后會控制DDS輸出一個固定本振頻率，通過按下不同的鍵值可以更改輸出的本振頻率，數碼管控制電路通過輸入的數字信號判斷數碼管亮滅。接收機程序流程圖如圖3-8所示。

圖3-7 發送機程序流程圖 圖3-8 接收機程序流程圖

4測試方案與測試結果

4.1測試條件與測試方案

? ? 在發送端合路電路輸出端、發送天線前端和電池供電輸出端預留3個測試端口，分別記為TP1、TP2和TP3。用信號源產生50Hz-10KHz的任意波形作為發送端模擬信號。通過選擇是否接入模擬信號或發送數字信號進行單路信號或合路信號的調制解調，利用示波器、頻譜儀和萬用表分別觀測TP1、TP2和TP3，用于觀測混合信號時域波形、已調信號帶寬和發送端功耗。測量儀器如表4-1所示。

表4-1 測試儀器使用明細表

4.2系統測試數據

1. 單路信號的調制與解調：通過是否接入模擬信號或是否按下數字信號發送鍵來選擇模擬信號或數字信號的單路收發測試。經測試發現，當輸入頻率范圍為50Hz-10KHz的正弦波作為模擬語音信號時，可解調出模擬信號，波形無失真，且接收端的數碼管處于熄滅狀態；當不接入模擬信號，通過鍵入4個0-9的一組數字后，按下發送鍵，在接收端的4個數碼管可正確顯示，響應時間在1s之內，當按下停止鍵后，在發送端清除已傳數字的顯示，接收端顯示延遲5s自動熄滅；
2. 數字-模擬混合信號的調制與解調：當輸入頻率范圍為50Hz-10KHz的正弦波作為模擬語音信號時，同時鍵入一組數字進行混合信號調制與解調。經測試，數字顯示正確，模擬信號波形無明顯失真；
3. 數字-模擬信號混合傳輸的性能：利用頻譜測試儀進行測量發現，當模擬信號頻率范圍為100Hz-5KHz時，收發機的信道帶寬為10.2KHz-20KHz，不大于設計要求的25KHz，載波頻率在20-30MHz可多檔選擇；利用數字萬用表測量發送端供電電路的電壓與電流，發現系統功耗約為5.916W，系統測量結果圖如圖4-1至4-3所示。

圖4-1模擬信號解調波形圖 圖4-2 數字信號數碼管顯示圖

圖4-3 信道帶寬測量圖

4.3 測試結果分析

（1）該系統可以實現對單路模擬信號50Hz-10KHz、單路數字信號和數字-模擬混合信號的調制與解調，傳輸距離大于100cm，模擬信號解調無明顯失真；數字信號顯示正確，響應時間小于1s，停止發送后延遲5s自動熄滅；

（2）該收發機的載波頻率可調，且信道帶寬不大于20KHz，滿足設計要求。主要在于該系統采用SSB調制方式，節省了帶寬；

（3）利用2臺萬用表分別以串聯、并聯的形式接入供電電路，以測量整個系統的輸入電流和電壓，進而計算發送系統的功耗。經測試系統功耗為5.916W。

5總結

這道題最大的難點就在于帶寬的限制，基帶信號要求在50hz-10khz，而總信道帶寬要求在25khz之內。我們一開始嘗試的是數字轉換信號用ASK，將他與模擬信號直接相加再通過AM調制方式發送，接收先解調出數字模擬混合信號，再設計濾波器把他們分開。理想總是美好，而現實殘酷。當時因為模塊都備了，就直接搭了一套出來，ASK選擇的是20khz的載波，其實如果要滿足25khz信道帶寬，ASK載波還得低點，并且AM發射的時候必須加濾波變成類似SSB，即要把其中一個邊帶衰減到-40dB以下，然而就算我ASK取20Khz模擬信號取1Khz，截止頻率1khz（手頭有）的巴特沃斯低通濾波器八階模擬信號雖不失真但當每個碼元過來時波形都會抖動一下，后來又花了點時間編寫了一下fpga的程序，即把信號采集做FFT并選出最大主頻分量，計算出頻率通過DA再輸出。結果很完美，但是有個致命缺點就是受到采樣頻率限制，他的最小頻率分辨率50Hz，就是說他只能輸出5倍數頻率的信號。。。又想到到時候還要做一個高通濾波器把數字信號濾出來，還要把AM濾成SSB，想想當模擬信號取50Hz的時候上下邊帶之間隔100Hz，頻點在20-30Mhz，只能說想都不敢想。所以比賽第二天就直接放棄這個方案了，后來想了一個用FSK傳輸數字信號，把模擬信號的信息加載到FSK的幅度上，這樣解調就很方便，不需要整天跟濾波器過不去。只要把FSK的跳頻設的足夠小就可以滿足信道帶寬要求了。碰巧我自己又想到了一個解調FSK的方法，先是找一個好點的混頻器，把FSK一個頻率下混到0就能變成一個類似于ASK的信號，這時候只要過個LC濾波器濾出上邊帶和諧波分量以及噪聲，再過個包絡檢波器再過個比較器就能完美還原出原始數字信號，模塊都有，拿來隨便調了一下沒想到真行。。。關于數字編碼，想都沒想直接用了串口通信，簡單又可靠。調試時候老天不保佑，接收端進來的第一級小信號放大器輸入高頻頭直接接觸不良。。。導致接收的模擬信號和數字信號都不穩定，而且是在我把天線高頻頭和壞掉高頻頭放在了一個絕佳的角度才行，本來啥都收不到，差點就沒了。嗐還以為比賽的時候準備的很充分了還是出現了意想不到的問題只能說拿國二是不幸中的萬幸了。最后附上整體裝置圖。

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