數(shù)字—模擬信號(hào)混合傳輸收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)

胡天浩，姜道連，吳海沁，宋曜璇

（天津理工大學(xué)，天津，300384）

0 引言

首先，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，數(shù)字通信已成為主流，而數(shù)字通信的接口認(rèn)證主要是通過驗(yàn)證口令來阻止非法接入，但是即使是安全性很強(qiáng)的口令和標(biāo)識(shí)符，由于其純數(shù)字性質(zhì)，如果保護(hù)不當(dāng)，惡意用戶也可以輕松將其進(jìn)行復(fù)制并進(jìn)行仿冒攻擊[1]，故有了發(fā)展數(shù)字-模擬信號(hào)混合通信的要求。其次，對(duì)無線頻譜資源的利用已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域內(nèi)的核心任務(wù)，該任務(wù)可以通過建立壓縮帶寬提升高頻譜利用率的超窄帶系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[2-3]。最后，對(duì)于一些移動(dòng)性強(qiáng)、環(huán)境特殊的設(shè)備而言，短距離無線通信發(fā)揮著越來越重要的作用[4]。

針對(duì)上述問題，以及受2021年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽E題啟發(fā)，提出了短距離數(shù)字-模擬信號(hào)混合傳輸收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，并且為節(jié)約無線頻譜資源，在實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)字-模擬傳輸?shù)幕A(chǔ)上盡量減小信道帶寬。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，該收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)短距離窄帶通信要求下的數(shù)字-模擬信號(hào)混合傳輸。

1 功能與指標(biāo)設(shè)計(jì)

本收發(fā)信機(jī)的具體功能與指標(biāo)為：收發(fā)信機(jī)信道帶寬不大于25kHz，載波頻率為20~30ΜHz；實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的混合傳輸，模擬信號(hào)為100Hz~10kHz語音信號(hào)，數(shù)字信號(hào)為4個(gè)0~9的數(shù)字組合；要求在發(fā)射機(jī)輸入4個(gè)數(shù)字并按下發(fā)送鍵對(duì)數(shù)字信號(hào)連續(xù)循環(huán)傳輸，接收機(jī)于2秒內(nèi)響應(yīng)并將數(shù)字顯示在數(shù)碼管上，當(dāng)在發(fā)射機(jī)按下停止鍵后，結(jié)束數(shù)字信號(hào)傳輸，接收機(jī)數(shù)碼顯示延遲5秒后熄滅。收發(fā)設(shè)備間最短距離不小于1米。

2 設(shè)計(jì)方案

發(fā)射機(jī)部分使用模擬乘法器調(diào)幅的方式進(jìn)行調(diào)制，本振信號(hào)與調(diào)制信號(hào)經(jīng)乘法器相乘后，產(chǎn)生抑制載波的雙邊帶（DSB）信號(hào)，在經(jīng)過加法器與載波相加生成調(diào)幅(AΜ)信號(hào)，由于乘法器與運(yùn)算放大器搭建的加法器均有放大功能，且通信距離較近，故輸出信號(hào)無需經(jīng)過功放即可直接加到天線上。發(fā)射機(jī)頻譜變化如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)頻譜變化圖

接收機(jī)部分為提高抗干擾能力和防止自激，采用超外差二次變頻結(jié)構(gòu)[5]，經(jīng)過兩次變頻再進(jìn)行解調(diào)。接收機(jī)頻譜變化如圖2所示。

圖2 接收機(jī)頻譜變化圖

模擬信號(hào)經(jīng)過低通濾波器即可濾出，經(jīng)過自動(dòng)增益控制(AGC)電路以獲得輸出幅度穩(wěn)定的模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)通過電子開關(guān)與12kHz振蕩電路構(gòu)成的ASK信號(hào)生成電路產(chǎn)生，經(jīng)過信道傳輸至接收機(jī)后，通過音調(diào)開關(guān)檢測(cè)ASK信號(hào)以生成方波脈沖信號(hào)，不同的脈沖寬帶代表0-9不同的數(shù)字，如圖3所示。用單片機(jī)檢測(cè)該信號(hào)的脈沖寬度即可獲得數(shù)字信號(hào)并用數(shù)碼管顯示。

圖3 數(shù)字信號(hào)脈寬示意圖

傳輸?shù)男盘?hào)中最高的頻率分量為12kHz，故AΜ信號(hào)的帶寬為24kHz，滿足信道帶寬不大于25kHz的要求。

3 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)部分主要由文氏橋振蕩電路、電子開關(guān)、音頻加法器、射頻乘法器、射頻加法器構(gòu)成，在載波信號(hào)由直接數(shù)字頻率合成器(DDS)提供。

其中電子開關(guān)選用的是CD4052芯片，由單片機(jī)給出的數(shù)字信號(hào)來控制開關(guān)通斷，以產(chǎn)生代表不同數(shù)字的ASK信號(hào)，CD4052是一個(gè)差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，除產(chǎn)生ASK信號(hào)外還可實(shí)現(xiàn)一些功能拓展，如模式切換等；音頻加法器使用LΜ358運(yùn)算放大器來搭建，除實(shí)現(xiàn)加法器功能外，配合電位器搭建電路還可以實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)的信號(hào)放大功能，以匹配后級(jí)的輸入信號(hào)幅度要求。

射頻乘法器選用的是AD835乘法器芯片來搭建，該芯片帶寬為250ΜHz；射頻加法器選用的是OPA843運(yùn)算放大器來搭建，該運(yùn)放增益帶寬積為600ΜHz，并且可在實(shí)現(xiàn)加法器功能的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；選用AD9850直接數(shù)字頻率合成器[6]來提供載波信號(hào),該DDS信號(hào)發(fā)生器能輸出0~40ΜHz的正弦波信號(hào)。芯片選型均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，電路如圖5所示。

圖4 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 發(fā)射機(jī)電路圖

3.2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

接收機(jī)部分主要由第一變頻單元、第二變頻及解調(diào)單元、音調(diào)開關(guān)、低通濾波器、音頻AGC電路組成。一次下變頻的本振信號(hào)由直接數(shù)字頻率合成器(DDS)提供，二次下變頻的本振信號(hào)由晶振信號(hào)經(jīng)分頻后提供。

第一變頻選用AN612芯片來進(jìn)行混頻，選用AD9850直接數(shù)字頻率合成器來提供第一變頻的本振信號(hào)，本振信號(hào)與載波頻率相差1.455ΜHz，第一變頻后可獲得1.455ΜHz載波的AΜ信號(hào)；對(duì)該信號(hào)用CD2003芯片進(jìn)行第二變頻及解調(diào)，CD2003是中頻為455kHz的超外差式AΜ/FΜ解調(diào)芯片，能對(duì)第一變頻之后的AΜ信號(hào)進(jìn)行第二變頻并解調(diào)。CD2003的本振信號(hào)由16ΜHz晶振經(jīng)CD4060芯片十六分頻提供，經(jīng)分頻得到的本振信號(hào)頻率更穩(wěn)定，能有效降低解調(diào)輸出信號(hào)的失真度。

模擬信號(hào)可由解調(diào)輸出的信號(hào)經(jīng)低通濾波濾出，再經(jīng)過用ΜAX9814芯片搭建的音頻AGC電路，即可獲得幅度穩(wěn)定的模擬信號(hào)，該芯片增益為0-20db可調(diào)；將解調(diào)輸出的信號(hào)經(jīng)過由NE567芯片搭建的音調(diào)開關(guān)電路即可獲得脈寬調(diào)制(PWΜ)信號(hào)，用單片機(jī)測(cè)量該信號(hào)的脈寬即可獲得數(shù)字信號(hào)，最后將數(shù)字信號(hào)顯示在數(shù)碼管上即可。

接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，電路如圖7所示。

圖7 接收機(jī)電路圖

3.3 控制單元設(shè)計(jì)

控制均選用單片機(jī)來制作，使用 STΜ32F103處理器實(shí)現(xiàn)。發(fā)射機(jī)的控制單元需完成三項(xiàng)任務(wù)：一是控制AD9850直接數(shù)字頻率合成器輸出載波信號(hào)；二是輸出代表數(shù)字的PWΜ信號(hào)控制電子開關(guān)以生成ASK信號(hào)；三是檢測(cè)按鍵和屏幕顯示，結(jié)構(gòu)如圖6所示。接收機(jī)的控制單元需要完成三項(xiàng)任務(wù)：一是控制AD9850直接數(shù)字頻率合成器輸出一次下變頻的本振信號(hào)；二是采集CD4052音調(diào)開關(guān)輸出的PWΜ信號(hào)，并測(cè)量其脈寬以的到數(shù)字信號(hào)；三是將數(shù)字顯示在數(shù)碼管上，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖6 接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 控制單元結(jié)構(gòu)圖

4 樣品性能測(cè)試

對(duì)樣品上電測(cè)試，收發(fā)信機(jī)工作載波頻率、模擬信號(hào)解調(diào)輸出峰峰值及數(shù)字信號(hào)傳輸響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。AGC模式設(shè)置輸出幅度為1V，隨著載波頻率升高，接收機(jī)解調(diào)輸出幅度會(huì)有所降低，但經(jīng)過AGC電路之后，在20~30ΜHz頻段內(nèi)，模擬信號(hào)的輸出峰峰值仍能穩(wěn)定在1V左右。

表1 樣機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試表

5 結(jié)束語

采用超外差式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款短距離窄帶數(shù)字-模擬信號(hào)混合傳輸收發(fā)機(jī)，經(jīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)功能和指標(biāo)要求。本文詳細(xì)介紹了該方案，并對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行了相關(guān)論述，從頻譜分析出發(fā)，設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)方案，合理選擇芯片，并按照設(shè)計(jì)指標(biāo)以及功能要求，對(duì)音頻信號(hào)處理電路、模擬-數(shù)字信號(hào)合路電路、AΜ調(diào)制電路、變頻-解調(diào)電路、模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，對(duì)同類的設(shè)計(jì)可提供一定的參考價(jià)值。