水下通信中單邊帶調制電路的設計與實現

馮士民，王永斌，劉 峰

(1.海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033;2.海軍七〇二廠，上海 200434)

0 引言

在設計水下電流場通信系統時，為提高有效發射功率，調制方式通常采用單邊帶調制;為了增加通信系統的通信距離，工作頻率一般選在音頻范圍［1］。當所需的載波頻率很低(一般為8～10 kHz)，與調制的話音信號(頻率為300～3 400 Hz)相差很近時，若采用常規的濾波法實現單邊帶調制，邊帶濾波器的制作是比較復雜的［2］。采用移相法設計實現在音頻范圍內的載波調制話音信號的單邊帶調制，避免了要求嚴格的邊帶濾波器的制作，使水下通信系統用比較簡單的電路即可實現，設計的電路的邊帶抑制比可達到34 dB，滿足水下通信系統電路的要求。

1 移相法單邊帶調制

1.1 移相法單邊帶調制電路

移相法的實質是利用2套相乘器獲得2個雙邊帶信號，使其中1個邊帶恰好反相，另1個邊帶恰好同相。這樣，在相加器內相加后，1個邊帶因相位相反而抵消，另1個邊帶因相位相同而相加。因此，在理想情況下，相加器的輸出端就只剩下1個邊帶了。其原理框圖如圖1所示［3］。

相乘器1的輸入為調制信號UΩ(t)cosθΩ(t)和載波 Uc(t)cosωct;相乘器 2的輸入為調制信號UΩ(t)cos［θΩ(t)+ π/2］和 載 波 Uc(t)cos(ωct+π/2)，2個相乘器相應的輸出信號為:

式中:

將u1和u2送入相加器，可得到下邊帶信號:

圖1 移相法單邊帶調制原理框圖Fig.1 Block diagram of the SSB modulation using phase-shift methord

1.2 移相法單邊帶調制誤差

從以上原理分析可知，要把無用邊帶全部抑制，必須滿足2個條件:

1)2個相乘器輸出電壓的振幅應完全相同;

2)移相網絡應保證精確的π/2相移，其中用于調制信號的寬帶移相網絡，在調制信號的頻帶內，每一頻率分量都應精確地移相π/2。

顯然，在實際電路中以上條件是比較難實現的。若通過調整，使2個相乘器輸出電壓振幅完全相等，載波信號的相移精確地調整在π/2。此時，對于無用邊帶的抑制完全取決于調制信號通過寬帶移相網絡時所產生的相移誤差δ，邊帶抑制比

由式(5)得出的NS～δ曲線如圖2所示。

實際電路中可以使相移誤差在1°以內，根據NS－δ曲線可以看到，對無用邊帶的抑制約41 dB，在進行水下通信系統的設計時，采用原型單邊帶調制，30 dB的邊帶抑制比即可滿足要求。

2 移相電路設計

2.1 載頻移相網絡設計

圖2 邊帶抑制比和相移誤差曲線Fig.2 Graph of the sideband suppression ratio and phase-shift error

由上述原理以及電路組成可知，通過載頻移相網絡的設計，產生相差90°的載波信號。簡單的RC電路可以進行移相，但是由其幅頻特性可知，RC移相電路的輸出信號的幅度會隨著相移不同而改變。所以使用由運放組成的一階全通網絡［4］，其相位連續可調而幅度恒定，電路設計如圖3所示。

圖3 載頻移相網絡電路原理圖Fig.3 Carrier phase-shift network circuit schema

移 相 的 度 數 φ1= 2arctan(2πfC1R1)，φ2=2arctan(2πfC2R2)。為保持電路的對稱性，對載波要分別移相45°和135°，相位差仍保持90°。當載波頻率為 10 kHz時，R1=9 694.725 Ω，C1=680 pF，R2=8 175.191 Ω，C2=4 700 pF，Rf=Ri=2 kΩ。Rf/Ri=1保證了相位連續可調的過程中幅度保持恒定，Vo1=Vo2≈Vi。所有運放用單電源供電，電壓Vcc=12 V。在Multisim 10中仿真結果如圖4所示。

2.2 低頻寬帶移相網絡設計

寬帶移相網絡是將2個兩端對網絡輸入端并接到信號源，信號則分2路傳輸到這2個兩端對網絡的輸出端，而2個輸出端輸出電壓的相位差對于一定帶寬的各頻率都是某一個數值［5－6］。若要對話音信號進行調制，則需要設計在300～3 400 Hz頻段內，移相90°的定相差網絡。

圖4 f=10 kHz的載波信號移相90°電路仿真Fig.4 Simulation of the circuit when the phase of the carrier(f=10 kHz)is shifted 90°

低頻寬帶移相網絡采用有源一階全通網絡的級聯形式，由已給的工作頻率上限3 400 Hz，下限300 Hz，根據橢圓函數網絡設計方法用Matlab編程進行計算(程序流程如圖5所示)，當相移誤差δ≤1°時，所需的總階數N=6。電路原理圖如圖6所示。

圖5 計算寬帶移相網絡參數程序流程圖Fig.5 Block diagram for calculating parameters of the wide band phase-shift network

圖6 中:R1=22.286 kΩ，C1=680 pF，R2=23.592 kΩ，C2=2 200 pF，R3=23.663 kΩ，C3=4 700 pF，R4=22.329 kΩ，C4=10 nF，R5=21.748 kΩ，C5=22 nF，R6=24.098 kΩ，C6=68 nF，Rf=Ri=2 kΩ。Rf/Ri=1保證相位連續可調的過程中幅度保持恒定，Vo1=Vo2≈Vi。因為R1C1～R6C6的取值是常數，所以選擇C1～C6的取值盡量使電阻取值接近同一阻值，這有利于電路的制作與調試。

圖6 低頻寬帶移相網絡電路原理圖Fig.6 Low frequency wide band phase-shift network circuit schema

在低頻段范圍內，上述寬帶移相網絡的移相度數曲線如圖7所示。

圖7 低頻寬帶移相網絡移相度數曲線Fig.7 Phase-shift degree graph of the low frequency wide band phase-shift network

可以看出，用6階的寬帶移相網絡可以使音頻信號(f=300～3 400 Hz)的理論移相度數與90°的誤差δ≤0.5°

3 電路設計及調試

相乘器選用模擬乘法器MC1496，當載波頻率為10 kHz，調制信號為單音信號且頻率為2 kHz時，相乘器1與相乘器2的輸出信號在Multisim 10中仿真結果如圖8所示。

根據上述設計的電路，輸入信號加等幅雙音信號，當載波頻率為10 kHz，等幅雙音信號頻率f1=2 kHz，f2=3 kHz時，單邊帶調制電路的輸出信號仿真結果如圖9所示。

載頻移相網絡和低頻寬帶移相網絡選用集成運放芯片LM324。在調試載頻移相網絡時，先確定其中一路的移相度數(約45°即可)，然后重點調整另一路的電阻值，使其移相度數與前一路相位差為90°;調試低頻寬帶移相網絡時，可以根據理論計算的RiCi值確定出第i階在頻率fi上將移相90°，然后固定電容值不變，單獨調整每一階移相電路的電阻值，使其在頻率fi上移相90°。低頻寬帶移相網絡信號頻率f與移相度數φ的理論值與實測值如表1所示。

在低頻段范圍內，上述寬帶移相網絡的移相度數與頻率關系的實測曲線如圖10所示。

由于電路和元件自身的誤差導致的不對稱性，最后得到的邊帶抑制比與設計的理論值存在誤差。通過頻譜分析儀觀測單邊帶調制信號的邊帶抑制比為34 dB，而34 dB的邊帶抑制比已經滿足水下通信系統的設計要求。

4 結語

在載波頻率很低的水下通信系統的設計中，采用移相法單邊帶調制技術可以避免復雜的邊帶濾波器的制作，所得到信號的邊帶抑制比滿足設計要求。本文主要分析在低載頻段，采用移相法進行單邊帶調制的電路設計，包括載頻移相網絡、低頻寬帶移相網絡和相乘器電路，用Multisim 10進行仿真，并對實際電路進行調試，得到電路性能參數，為低載頻段采用移相法單邊帶調制技術的實際應用提供了參考。

［1］汪丹丹，王永斌，陳斌.設計水下電流場通信系統需注意的幾個問題［J］.艦船科學技術，2010，32(2):56 －59.WANGDan-dan，WANG Yong-bin，CHEN Bin.The attentive problems in designing underwater electric current communication system［J］.Ship Science and Technology，2010，32(2):56 －59.

［2］TAKANO K，HANZAWA N.Experimental demonstration of optically phase-shifted SSB modulation with fiber-based optical hilbert transformers［A］.OSA，2007，JTHA48.

［3］沈琪琪，王又春，等.單邊帶原理和電路［M］.北京:中國人民解放軍總參謀部通信部，1979.119－122.SHEN Qi－ qi，WANG You-chun，et al.SSB Theory and Circuits.［M］.Beijing:Communication office of General Staff of PLA，1979.119 －122.

［4］鄒萬全.等幅移相器［J］.內江師范學院學報，2007，22(2):32－33.ZOU Wan-quan.Equal phase moudulation instrument［J］.Journal of Neijiang Teachers College，2007，22(2):32 －33.

［5］陳叔遠，顏紹書.相移均衡器［M］.北京:人民郵電出版社，1984.142 －146.CHEN Shu-yuan，YAN Shao-shu.Phase Shift Equalizer［M］.Beijing:Posts and Telecom Press，1984.142 －146.

［6］陳叔遠.單邊帶用寬帶移相器綜合［J］.通信學報，1985，6(3):44 － 47.CHEN Shu-yuan.On the synthesis of wide-band phase splitting networks for single-side － band system［J］.Journal of China Instrument of Communications，1985，6(3):44 －47.