數字—模擬信號混合傳輸收發機設計

胡天浩，姜道連，吳海沁，宋曜璇

（天津理工大學，天津，300384）

0 引言

首先，在物聯網技術高度發達的今天，數字通信已成為主流，而數字通信的接口認證主要是通過驗證口令來阻止非法接入，但是即使是安全性很強的口令和標識符，由于其純數字性質，如果保護不當，惡意用戶也可以輕松將其進行復制并進行仿冒攻擊[1]，故有了發展數字-模擬信號混合通信的要求。其次，對無線頻譜資源的利用已經成為無線通信領域內的核心任務，該任務可以通過建立壓縮帶寬提升高頻譜利用率的超窄帶系統來實現[2-3]。最后，對于一些移動性強、環境特殊的設備而言，短距離無線通信發揮著越來越重要的作用[4]。

針對上述問題，以及受2021年全國大學生電子設計競賽E題啟發，提出了短距離數字-模擬信號混合傳輸收發機設計，并且為節約無線頻譜資源，在實現短距離數字-模擬傳輸的基礎上盡量減小信道帶寬。測試驗證結果表明，該收發機設計能實現短距離窄帶通信要求下的數字-模擬信號混合傳輸。

1 功能與指標設計

本收發信機的具體功能與指標為：收發信機信道帶寬不大于25kHz，載波頻率為20~30ΜHz；實現模擬信號與數字信號的混合傳輸，模擬信號為100Hz~10kHz語音信號，數字信號為4個0~9的數字組合；要求在發射機輸入4個數字并按下發送鍵對數字信號連續循環傳輸，接收機于2秒內響應并將數字顯示在數碼管上，當在發射機按下停止鍵后，結束數字信號傳輸，接收機數碼顯示延遲5秒后熄滅。收發設備間最短距離不小于1米。

2 設計方案

發射機部分使用模擬乘法器調幅的方式進行調制，本振信號與調制信號經乘法器相乘后，產生抑制載波的雙邊帶（DSB）信號，在經過加法器與載波相加生成調幅(AΜ)信號，由于乘法器與運算放大器搭建的加法器均有放大功能，且通信距離較近，故輸出信號無需經過功放即可直接加到天線上。發射機頻譜變化如圖1所示。

圖1 發射機頻譜變化圖

接收機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構[5]，經過兩次變頻再進行解調。接收機頻譜變化如圖2所示。

圖2 接收機頻譜變化圖

模擬信號經過低通濾波器即可濾出，經過自動增益控制(AGC)電路以獲得輸出幅度穩定的模擬信號。數字信號通過電子開關與12kHz振蕩電路構成的ASK信號生成電路產生，經過信道傳輸至接收機后，通過音調開關檢測ASK信號以生成方波脈沖信號，不同的脈沖寬帶代表0-9不同的數字，如圖3所示。用單片機檢測該信號的脈沖寬度即可獲得數字信號并用數碼管顯示。

圖3 數字信號脈寬示意圖

傳輸的信號中最高的頻率分量為12kHz，故AΜ信號的帶寬為24kHz，滿足信道帶寬不大于25kHz的要求。

3 電路設計與實現

3.1 發射機設計

發射機部分主要由文氏橋振蕩電路、電子開關、音頻加法器、射頻乘法器、射頻加法器構成，在載波信號由直接數字頻率合成器(DDS)提供。

其中電子開關選用的是CD4052芯片，由單片機給出的數字信號來控制開關通斷，以產生代表不同數字的ASK信號，CD4052是一個差分4通道數字控制模擬開關，除產生ASK信號外還可實現一些功能拓展，如模式切換等；音頻加法器使用LΜ358運算放大器來搭建，除實現加法器功能外，配合電位器搭建電路還可以實現增益可調的信號放大功能，以匹配后級的輸入信號幅度要求。

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運算放大器來搭建，該運放增益帶寬積為600ΜHz，并且可在實現加法器功能的基礎上對信號進行放大；選用AD9850直接數字頻率合成器[6]來提供載波信號,該DDS信號發生器能輸出0~40ΜHz的正弦波信號。芯片選型均符合設計指標要求。

發射機系統結構如圖4所示，電路如圖5所示。

圖4 發射機系統結構圖

圖5 發射機電路圖

3.2 接收機設計

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

第一變頻選用AN612芯片來進行混頻，選用AD9850直接數字頻率合成器來提供第一變頻的本振信號，本振信號與載波頻率相差1.455ΜHz，第一變頻后可獲得1.455ΜHz載波的AΜ信號；對該信號用CD2003芯片進行第二變頻及解調，CD2003是中頻為455kHz的超外差式AΜ/FΜ解調芯片，能對第一變頻之后的AΜ信號進行第二變頻并解調。CD2003的本振信號由16ΜHz晶振經CD4060芯片十六分頻提供，經分頻得到的本振信號頻率更穩定，能有效降低解調輸出信號的失真度。

模擬信號可由解調輸出的信號經低通濾波濾出，再經過用ΜAX9814芯片搭建的音頻AGC電路，即可獲得幅度穩定的模擬信號，該芯片增益為0-20db可調；將解調輸出的信號經過由NE567芯片搭建的音調開關電路即可獲得脈寬調制(PWΜ)信號，用單片機測量該信號的脈寬即可獲得數字信號，最后將數字信號顯示在數碼管上即可。

接收機系統結構如圖6所示，電路如圖7所示。

圖7 接收機電路圖

3.3 控制單元設計

控制均選用單片機來制作，使用 STΜ32F103處理器實現。發射機的控制單元需完成三項任務：一是控制AD9850直接數字頻率合成器輸出載波信號；二是輸出代表數字的PWΜ信號控制電子開關以生成ASK信號；三是檢測按鍵和屏幕顯示，結構如圖6所示。接收機的控制單元需要完成三項任務：一是控制AD9850直接數字頻率合成器輸出一次下變頻的本振信號；二是采集CD4052音調開關輸出的PWΜ信號，并測量其脈寬以的到數字信號；三是將數字顯示在數碼管上，結構如圖8所示。

圖6 接收機系統結構圖

圖8 控制單元結構圖

4 樣品性能測試

對樣品上電測試，收發信機工作載波頻率、模擬信號解調輸出峰峰值及數字信號傳輸響應時間指標測試結果如表1所示。AGC模式設置輸出幅度為1V，隨著載波頻率升高，接收機解調輸出幅度會有所降低，但經過AGC電路之后，在20~30ΜHz頻段內，模擬信號的輸出峰峰值仍能穩定在1V左右。

表1 樣機性能指標測試表

5 結束語

采用超外差式結構設計實現了一款短距離窄帶數字-模擬信號混合傳輸收發機，經測試實驗滿足設計功能和指標要求。本文詳細介紹了該方案，并對關鍵部分進行了相關論述，從頻譜分析出發，設計電路實現方案，合理選擇芯片，并按照設計指標以及功能要求，對音頻信號處理電路、模擬-數字信號合路電路、AΜ調制電路、變頻-解調電路、模擬-數字信號轉換電路進行了設計實現，對同類的設計可提供一定的參考價值。