1系统方案

1.1系统整体设计方案

    该系统由发送装置和接收装置组成。通过发送端对数字信号和模拟信号的合路处理后，实现混合信号的调制发送；利用单路转差分实现两路信号的分离，然后再分别实现两路信号的解调与显示。发送装置和接收装置均由电池单电源供电，经电源转换模块后满足各电路模块的供电需求。

    发送装置主要包括数字信号发生器、数字-模拟信号合成电路、DDS模块、SSB调制电路和功率放大器。利用MCU和DDS产生FSK数字信号，将FSK信号与模拟信号进行乘法合路后，采用SSB调制减少功耗，设计功率放大器以满足天线发送功率需求。

接收装置接收到混合信号后，利用低噪声小信号放大、混频和陶瓷滤波实现合路信号解调功能，利用单端转差分电路实现模拟部分与数字部分的分离。模拟部分采用包络检波解调方式，数字部分通过零中频混频电路将FSK转变为ASK后，再通过包络检波和过压比较器实现数字信号解调，最后通过数码管进行显示。

    在发送端的合路电路输出端、发送天线前端、电池单电源供电输出点预留测试端口，用于观察合路信号波形、观测已调信号的带宽和测量发送端功耗。数字-模拟信号混合传输收发机总体设计框图如图1-1所示。

 

图1-1 数字-模拟信号混合传输收发机系统整体设计框图

1.2方案论证与选择

1.2.1数字-模拟信号合路电路

方案一：数字-模拟信号通过加法器进行合路，合路后信号为时域上直接相加，频域上数字、模拟信号可能产生混叠，不利于后续电路的调制与解调。

方案二：数字-模拟信号通过乘法器AD835进行合路，后续调制解调较为方便，且外围电路较为简单。

考虑到调制与解调的便捷与准确性，选择方案二。

1.2.2解调混频器

方案一：基于二极管搭建的无源混频电路，该混频器产生稳定、频率可调的信号较为困难，且电路复杂度较高。

方案二：采用AD831乘法器进行混频，该乘法器可在直流条件下工作，且工作最高频率为500MHz，远远超过设计需求，外围电路简单。

综上所示，考虑到电路复杂度以及系统稳定性，选择方案二。

1.2.3数字信号编码与解码

方案一：利用现有串口通信协议，调节波特率达到数据帧的频率输出，输出数据及解码方便，传输速率快。

方案二：单片机IO口输出高低电平延时，通过曼彻斯特编码解码方式对输入的数字信号进行发送，但是曼彻斯特编码解码过程比较复杂，且占用数据位数比较多，实现难度较高。

综上所述，考虑到信号的传输速率以及解码速率，选择方案一。

2理论分析与计算

2.1数字-模拟信号合路理论分析与计算

为在较窄带宽内完成数字-模拟信号的混合传输，先将MCU产生的0、1数字信号转变为FSK信号，然后利用AD835实现模拟信号与FSK数字信号的乘法合路。具体公式如下：

当正弦信号表达式以及FSK信号表达式分别为

时，则乘法合路后信号表达式为

2.2混合信号调制发送理论分析与计算

    目前主流的调制方式有：FM、AM、DSB、SSB等方式。FM调制抗干扰性强，是目前主流的调制发送方式，但是频偏的设置要求较大的信道带宽，难以满足设计要求。AM、DSB调制也存在信道带宽占用过大的问题。因此，考虑到系统整体的功耗、信道利用率以及电路复杂度，在本系统设计中采用SSB调制。

    生成SSB信号可以通过先产生一个DSB信号，再让其通过一个边带滤波器，滤除不要的边带后，即可得到单边带SSB信号。令DSB信号的时域表达式为：

则下边带LSB信号对应的时域表达式为：

2.3信道带宽设计理论分析与计算

    为满足发挥部分需求，模拟信号频率范围设定为50Hz-10kHz，占用信道宽度可近似看成10kHz，当模拟信号和数字信号进行合路相乘后，合路信号中模拟信号发生了上下变频，占用信道带宽增加至20kHz，为满足信道宽度不超过25kHz的设计要求，将FSK数字信号的跳频频率设为5kHz。此外，当合路信号和载波调制后产生上下变频情况，使得信道占用宽度上升至50kHz，故最终采用USB下边带调制方法，只需要25kHz的信道宽度就能实现对数字-模拟信号的合路调制与解调。

3电路与程序设计

3.1数字-模拟信号混合传输的无线收发机系统硬件电路的设计

3.1.1数字-模拟信号合路电路设计

    数字-模拟信号的合路通过AD835完成。AD835是一个四象限的电压输出模拟乘法器，能够实现对输入信号X,Y的线性相乘，外围电路简单。基于AD835的数字-模拟信号合路电路原理图如下图3-1所示。

3.1.2调制发送电路设计

    合路信号的调制采用AD831完成，经过计算，将AD831的外部电容C124，C125的值改为560p，更加符合电路设计要求，基于AD831的调制电路原理图如下图3-2所示。

图3-1 基于AD835的合路电路原理图 图3-2 基于AD831的调制模块电路原理图

3.1.3接收解调电路设计

    解调信号先通过一个小信号放大器ERA-8SM+进入到解调混频模块中，解调混频模块由基于AD831的乘法器完成。能将已调信号解调至混合基带信号，便于后续数字-模拟信号的分离。基于ERA-8SM+和AD831的接收解调电路原理图如图3-3所示。

图3-3 基于ERA-8SM+和AD831的接收解调电路原理图

3.1.4收发机分离电路设计

    合路电路经过一个单端转差分电路分成两路，再进行后续处理。单端转差分电路采用AD8138进行设计，将AD8138的增益设置为1，避免因增益过大而导致信号失真。基于AD8138的单端转差分电路原理图及PCB图如图3-4所示。

图3-4 基于AD8138的单端转差分电路原理图及PCB图

    模拟信号处理电路利用肖特基二极管进行包络检波，得出模拟信号，再通过一个带通滤波器滤除无关杂波，得到稳定的模拟信号，基于NE5532的带通滤波电路原理图如图3-5所示。

    数字信号处理电路利用ADL5801零中频混频器将FSK信号转成ASK信号，再进行包络检波等后续操作解调出数字信号。基于ADL5801的零中频混频电路原理图如图3-6所示。

图3-5 基于NE5532的带通滤波原理图 图3-6 基于ADL5801的零中频混频器原理图

3.2数字-模拟信号混合传输的无线收发机系统程序设计

    数字-模拟信号混合传输的无线收发机系统程序设计部分由发送机程序和接收机程序两部分构成。

3.2.1数字-模拟信号混合传输发送机程序设计

    发送机MCU程序主要由DDS载波频率控制以及数字信号发送两个模块构成。MCU开启后会控制DDS输出一个固定载波频率，通过按下不同的键值可以更改输出的载波频率。通过串口屏输入数字信号并进行处理，通过按下up键可以发送处理后数字信号。发送机程序流程图如图3-7所示。

3.2.2数字-模拟信号混合传输接收机程序设计

    接收机MCU程序主要由DDS本振频率控制以及控制数码管亮灭两部分构成。MCU开启后会控制DDS输出一个固定本振频率，通过按下不同的键值可以更改输出的本振频率，数码管控制电路通过输入的数字信号判断数码管亮灭。接收机程序流程图如图3-8所示。

图3-7 发送机程序流程图 图3-8 接收机程序流程图

4测试方案与测试结果

4.1测试条件与测试方案

    在发送端合路电路输出端、发送天线前端和电池供电输出端预留3个测试端口，分别记为TP1、TP2和TP3。用信号源产生50Hz-10KHz的任意波形作为发送端模拟信号。通过选择是否接入模拟信号或发送数字信号进行单路信号或合路信号的调制解调，利用示波器、频谱仪和万用表分别观测TP1、TP2和TP3，用于观测混合信号时域波形、已调信号带宽和发送端功耗。测量仪器如表4-1所示。

表4-1 测试仪器使用明细表

4.2系统测试数据

1. 单路信号的调制与解调：通过是否接入模拟信号或是否按下数字信号发送键来选择模拟信号或数字信号的单路收发测试。经测试发现，当输入频率范围为50Hz-10KHz的正弦波作为模拟语音信号时，可解调出模拟信号，波形无失真，且接收端的数码管处于熄灭状态；当不接入模拟信号，通过键入4个0-9的一组数字后，按下发送键，在接收端的4个数码管可正确显示，响应时间在1s之内，当按下停止键后，在发送端清除已传数字的显示，接收端显示延迟5s自动熄灭；
2. 数字-模拟混合信号的调制与解调：当输入频率范围为50Hz-10KHz的正弦波作为模拟语音信号时，同时键入一组数字进行混合信号调制与解调。经测试，数字显示正确，模拟信号波形无明显失真；
3. 数字-模拟信号混合传输的性能：利用频谱测试仪进行测量发现，当模拟信号频率范围为100Hz-5KHz时，收发机的信道带宽为10.2KHz-20KHz，不大于设计要求的25KHz，载波频率在20-30MHz可多档选择；利用数字万用表测量发送端供电电路的电压与电流，发现系统功耗约为5.916W，系统测量结果图如图4-1至4-3所示。

图4-1模拟信号解调波形图 图4-2 数字信号数码管显示图

图4-3 信道带宽测量图

4.3 测试结果分析

（1）该系统可以实现对单路模拟信号50Hz-10KHz、单路数字信号和数字-模拟混合信号的调制与解调，传输距离大于100cm，模拟信号解调无明显失真；数字信号显示正确，响应时间小于1s，停止发送后延迟5s自动熄灭；

（2）该收发机的载波频率可调，且信道带宽不大于20KHz，满足设计要求。主要在于该系统采用SSB调制方式，节省了带宽；

（3）利用2台万用表分别以串联、并联的形式接入供电电路，以测量整个系统的输入电流和电压，进而计算发送系统的功耗。经测试系统功耗为5.916W。

5总结

这道题最大的难点就在于带宽的限制，基带信号要求在50hz-10khz，而总信道带宽要求在25khz之内。我们一开始尝试的是数字转换信号用ASK，将他与模拟信号直接相加再通过AM调制方式发送，接收先解调出数字模拟混合信号，再设计滤波器把他们分开。理想总是美好，而现实残酷。当时因为模块都备了，就直接搭了一套出来，ASK选择的是20khz的载波，其实如果要满足25khz信道带宽，ASK载波还得低点，并且AM发射的时候必须加滤波变成类似SSB，即要把其中一个边带衰减到-40dB以下，然而就算我ASK取20Khz模拟信号取1Khz，截止频率1khz（手头有）的巴特沃斯低通滤波器八阶模拟信号虽不失真但当每个码元过来时波形都会抖动一下，后来又花了点时间编写了一下fpga的程序，即把信号采集做FFT并选出最大主频分量，计算出频率通过DA再输出。结果很完美，但是有个致命缺点就是受到采样频率限制，他的最小频率分辨率50Hz，就是说他只能输出5倍数频率的信号。。。又想到到时候还要做一个高通滤波器把数字信号滤出来，还要把AM滤成SSB，想想当模拟信号取50Hz的时候上下边带之间隔100Hz，频点在20-30Mhz，只能说想都不敢想。所以比赛第二天就直接放弃这个方案了，后来想了一个用FSK传输数字信号，把模拟信号的信息加载到FSK的幅度上，这样解调就很方便，不需要整天跟滤波器过不去。只要把FSK的跳频设的足够小就可以满足信道带宽要求了。碰巧我自己又想到了一个解调FSK的方法，先是找一个好点的混频器，把FSK一个频率下混到0就能变成一个类似于ASK的信号，这时候只要过个LC滤波器滤出上边带和谐波分量以及噪声，再过个包络检波器再过个比较器就能完美还原出原始数字信号，模块都有，拿来随便调了一下没想到真行。。。关于数字编码，想都没想直接用了串口通信，简单又可靠。调试时候老天不保佑，接收端进来的第一级小信号放大器输入高频头直接接触不良。。。导致接收的模拟信号和数字信号都不稳定，而且是在我把天线高频头和坏掉高频头放在了一个绝佳的角度才行，本来啥都收不到，差点就没了。嗐还以为比赛的时候准备的很充分了还是出现了意想不到的问题只能说拿国二是不幸中的万幸了。最后附上整体装置图。