基于多乘法器的頻譜線性變換實驗

金偉正， 黃奕博， 羅義軍， 楊光義

（武漢大學電子信息學院，武漢430072）

0 引 言

設計一種基于多乘法器的頻譜線性變換實驗系統。通過輸入一個8 kHz基帶調制信號，利用乘法器對其進行AM調制，搬運至高頻30 MHz頻段；再用乘法器［1-2］對已調信號進行上變頻，將其搬運至甚高頻140 MHz頻段；最后用混頻器AD831芯片［3］對已調信號進行下變頻，將其搬運至中高頻10 MHz頻段，實現一個完整的頻譜線性搬移通信電子系統的設計與應用。通過實驗，學生能全面理解和掌握頻譜線性變換工作原理及設計方法，克服實驗中遇到的困難，找到相應的解決方法，加深對通信電子線路知識的理解。

30 MHz頻段作為劃分中高頻頻段的上限，以及電離層散射通信（30～60 MHz）、電離層通信（30～144 MHz）等通信方式頻段的下限，廣泛應用于遠距離空地對話等領域。此外，140 MHz處于頻段劃分中甚高頻的范圍，廣泛應用于航空通信工作之中，是保證航空器在飛行過程中與地面保持通信或者航空器之間進行相互通信的重要工具。10 MHz高中頻具有頻率高，帶寬寬的特點。高中頻便于抑制鏡干擾，帶寬寬便于高速率數據或大容量信息傳輸。同時能夠降低載波的頻率，有利于后續的對調幅信號的解調等工作的實現。本文設計的一種基于多乘法器頻譜線性變換實驗系統，以實現對信號在30、140和10 MHz這3個頻段的線性頻譜搬移。

1 原理及電路設計

基于多乘法器的頻譜線性變換實驗系統如圖1所示，包括AM調制、載波信號發生、高頻放大、上變頻混頻、第1本振信號發生、下變頻混頻及第2本振信號發生等模塊。載波信號發生模塊提供30 MHz信號，并發送至AM調制模塊；第1本振信號發生模塊提供110 MHz信號。并發送至上變頻混頻模塊；第2本振信號發生模塊提供130 MHz信號。并發送至下變頻混頻模塊。

圖1 基于多乘法器的頻譜線性變換系統框圖

載波調制是通過調制信號去控制載波信號的參數，使載波信號的某個或某些參數依照調制信號的規律變化。調制能提高發射效率；實現信道的多路復用，提高信道的利用率；調制能擴展信號的帶寬，提高通信系統抗干擾的能力。

調幅，即幅度調制（AM調制），是指用調制信號去控制載波信號的幅度，使載波信號的幅度隨著調制信號做線性變化的過程。設一個正弦型載波信號uC(t)＝Acos ωct，調制信號為um(t)，則根據調制的定義，可將調幅信號表示為

設調制信號um(t)的頻譜為Fm(ω)，則根據式（1）

即可得出已調信號s(t)的頻譜為

由式（2）可知，調幅信號的幅度隨基帶信號的變化而變化；調幅信號的頻譜是基帶信號頻譜通過載波信號在頻域內的簡單線性搬移。幅度調制是一種線性調制。

混頻，是指混合兩個不同頻率的輸入信號，得到一個新的頻率與兩個輸入信號的頻率都有關的信號的過程。利用乘法器能夠實現混頻，原理是三角函數的積化和差公式。設輸入信號uX（t）＝AXcos ωXt，uY（t）＝AYcos ωYt，利用乘法器將兩信號相乘的輸出結果為uOUT（t）＝KuX（t）uy（t）＝KAXAYcos ωXtcos ωYt＝

由式（3）可知，輸出信號中既包含兩個輸入信號的和頻，又包含兩個輸入信號的差頻，此即利用模擬乘法器實現信號混頻的原理。

將輸入信號進行多次頻譜變換，分別得到30、140及10 MHz的調幅信號，對于信號的傳播應用具有重要意義，也有利于調幅信號的解調等工作。

2 實驗內容及測試結果

實驗內容主要包括AM調制與高頻放大、上變頻混頻與下變頻混頻、載波信號發生與本振信號發生等電路。由于篇幅的限制，本文僅給出部分核心電路的詳細調試過程和重要數據的測試方法，包括圖2～5所示的AM調制電路、高頻放大電路、上變頻混頻電路和下變頻混頻電路，給出實測的波形及定性分析。圖6所示為DDS［4-5］載波信號發生器，圖7所示為DDS上變頻本振信號發生器［6-7］。

圖2 AM調制電路

圖6 DDS載波信號發生器網絡

2.1 AM調制模塊與高頻放大模塊

為解決在高頻及甚高頻頻段對信號進行調制，本系統采用寬帶乘法器AD835進行AM調制，AD835乘法器電路板如圖8（a）所示，再配合上簡單的外圍電路，工作帶寬可達250 MHz，大大提高了對傳輸信號頻譜搬運的范圍。在芯片引腳1輸入載波信號，引腳8輸入傳輸信號，引腳5即輸出所需調制信號。引腳6和引腳3分別輸入芯片所需＋5 V和－5 V電壓，并串聯一個保險電阻防止電流過大。引腳2、引腳4和引腳7接地。同時，在AM調制輸出后接入高頻放大電路，如圖3所示，利用運算放大器THS4001，其增益帶寬積高達270 MHz，對AM調制輸出的調幅信號進行放大，便于后級進行混頻。芯片引腳3經過一個濾波電容輸入已調信號，引腳2接入輸出信號進行負反饋使系統更穩定，引腳6經過一個濾波電容即輸出高頻放大信號。

圖3 高頻放大電路

圖8 AD835和AD9834的實物圖

AD9834DDS載波電路板如圖8（b）所示。在實驗過程中，將信號源產生的8 kHz的基帶信號與AD9834［8-9］產生的30MHz載波信號同時接入AD835的兩個輸入端口，得到的輸出波形如圖9（a）所示，輸出信號的載波隨著基帶信號幅度的變化而變化，形成頻率為8 kHz的包絡，達到了AM調制的效果。對包絡放大，可觀察到載波信號，如圖9（b）所示。從輸出調幅信號的載波圖9（b）中可以看出，調幅信號的載波中包含多個幅度分量，同時載波頻率為AD9834輸入的30 MHz信號。為對調幅信號進一步的頻域分析，需要對調幅信號進行FFT，得到調幅信號的頻譜，如圖9（c）所示，第1次上變頻輸出的AM調制信號中頻譜主要集中在中心頻率30 MHz處，不過在高頻處也有少量諧波分量，可見，通過AM調制成功將基帶信搬移到了30 MHz頻段處，實現了上變頻。

圖9 AD835輸出的AM調制信號

2.2 上變頻混頻模塊

上變頻混頻電路如圖4所示，考慮到要將傳輸信號頻譜搬移至甚高頻頻段的要求，選用寬帶乘法器AD834［10］，AD834乘法器電路板如圖11（a）所示，配合簡單的外圍電路，其工作帶寬高達500 MHz，完全滿足所需140 MHz頻段的要求，實現將傳輸信號的頻譜搬移至140 MHz頻段。芯片引腳1輸入110 MHz本振信號，引腳8輸入調幅信號，引腳5、4的差分輸出采用差分巴倫轉單端的結構做耦合輸出，這種結構可有效地抑制諧波，同時起到較好的差分合并的效果，使輸出信號對稱。引腳6、3分別輸入芯片所需＋5 V電壓，并串聯一個保險電阻防止電流過大。引腳2、7同時接地。同時，在信號輸出端接入一個7階巴特沃斯高通濾波器，其截至頻率為130 MHz，在90 MHz處的衰減不小于20 dB，以濾除混頻同時產生的80 MHz信號，保留140 MHz混頻信號。

圖4 上變頻混頻電路

測試過程中，將第1次上變頻得到的AM調制信號輸入AD834的X1輸入口，將信號源產生的140 MHz本振信號輸入AD834的Y1輸入口，令AD834的X2和Y2輸入口接地，實現X2＝Y2＝0，得到的第1次混頻信號波形如圖10所示。由AD834輸出的混頻信號的包絡圖10（a）可見，混頻并未改變調制的類型，載波幅度仍按調制信號的規律變化，且包絡的頻率約為8 kHz。對包絡信號進行放大，觀察混頻信號的載波，如圖10（b）所示，混頻信號中包含多個頻率分量。對載波信號進行FFT，得到的載波信號頻譜如圖10（c）所示，載波信號的中心頻率主要集中在140 MHz及其兩側，即30 MHz調幅信號和140 MHz本振信號的和頻170 MHz與差頻110 MHz處。可見，通過AD834進行140 MHz混頻，成功將調幅信號的頻譜線性搬移至140 MHz處，實現了第1次混頻。

圖10 AD834輸出的第1次混頻信號

2.3 下變頻混頻模塊

下變頻混頻電路如圖5所示，選用低失真寬帶混頻器芯片AD831，AD831乘法器電路板如圖11（b）所示，在少量外圍電路的配合下，其射頻和本振輸入工作頻率范圍高達500 MHz，實現將位于140 MHz頻段的傳輸信號下變頻至10 MHz高中頻頻段，有利于后續對調幅信號的解調等的實現。芯片引腳6經過一個LC低通濾波電路輸入調幅信號，防止輸入信號頻率過高超過芯片工作范圍。引腳10經過一個濾波電容輸入本振信號。引腳16經過一個LC帶通濾波電路對輸出信號進行濾波，使得輸出信號波形更穩定，得到所需混頻信號。同時，在信號輸出端后接入一個6階巴特沃斯低通濾波器，其截至頻率為20 MHz，在30 MHz處的衰減不小于20 dB，以濾除混頻時產生的270 MHz信號，保留10 MHz混頻信號。

圖5 下變頻混頻電路

圖11 AD834和AD831的實物圖

AD834乘法器電路板如圖11（a）所示。在測試過程中，將AD834輸出的140 MHz混頻信號接入到混頻器AD831的射頻輸入口，同時利用信號源產生的130 MHz本振信號接入到AD831的本振輸入口，得到AD831的中頻輸出口輸出的混頻信號波形如圖12所示。由上述AD831輸入的第2次混頻信號的包絡圖12（a）中可見，混頻并沒有改變調幅信號的調制類型，輸出信號依舊是由8 kHz基帶信號決定的調幅信號。對調幅信號的包絡進行放大，得到載波信號波形如圖12（b）所示，AD831已經通過第2次混頻將調制信號的載波頻率下變頻至10 MHz。通過對輸出信號進行FFT，得到輸出信號的頻譜圖，如圖12（c）所示，第2次混頻得到的混頻信號的頻譜在40 MHz及其以下的較低頻率20 MHZ，10 MHz等處有大量的集中，即包含了和頻信號170 MHz以及差頻信號110 MHz的140 MHz混頻信號與130 MHz本振信號的差頻，同時在其他高頻處也存在一些諧波分量。

圖12 AD831輸出的第2次混頻信號

由此可見，AD831的第2次混頻成功將調幅信號的頻譜線性搬移至10 MHz附近高中頻頻段，實現了第2次混頻。此時對輸出信號端加入不同的LC諧振回路進行選頻濾波，即可得到所需的頻率信號。

2.4 載波信號發生模塊和本振信號發生模塊

DDS載波信號發生器［11-12］電路選用AD9834，如圖6所示，該芯片功耗低，性能高，在少量外圍電路［13-14］的配合下，輸出信號最高頻率可達37.5 MHz。利用AD9834即可產生AM調制所需的30 MHz載波信號。芯片引腳8輸入芯片工作所需75 MHz時鐘，引腳19、20即可輸出兩路互補的正弦信號，同時經過LC低通濾波電路，使得輸出信號波形更加穩定。同時將輸出信號通過引腳17接入芯片內置的比較器中，還可從引腳16得到一路方波輸出。

DDS上變頻本振信號發生器電路［15-16］選用AD9854，如圖7所示，在少量外圍電路的配合下，其最高輸出頻率高達150 MHz，完全滿足所需信號頻率的要求，用以提供上變頻混頻所需的110 MHz本振信號。芯片引腳69輸入芯片工作所需300 MHz時鐘，引腳52、48即可輸出兩路互補的正弦信號［17］，同時經過LC低通濾波，使得輸出信號波形更加穩定。

3 結 語

本文實現了一種基于低功耗DDS和多寬帶乘法器在通信電子線路的頻譜線性搬移應用系統，覆蓋知識面廣，體現了很強的綜合性和創新性，豐富了實驗教學內容。該實驗系統的不僅研究了這幾種芯片在通信電子線路的應用，同時為高頻通信的教學實驗和測試有著重要的幫助，學生通過實驗能系統地掌握頻譜的線性變換電路原理。