数字—模拟信号混合传输收发机设计

胡天浩，姜道连，吴海沁，宋曜璇

（天津理工大学，天津，300384）

0 引言

首先，在物联网技术高度发达的今天，数字通信已成为主流，而数字通信的接口认证主要是通过验证口令来阻止非法接入，但是即使是安全性很强的口令和标识符，由于其纯数字性质，如果保护不当，恶意用户也可以轻松将其进行复制并进行仿冒攻击[1]，故有了发展数字-模拟信号混合通信的要求。其次，对无线频谱资源的利用已经成为无线通信领域内的核心任务，该任务可以通过建立压缩带宽提升高频谱利用率的超窄带系统来实现[2-3]。最后，对于一些移动性强、环境特殊的设备而言，短距离无线通信发挥着越来越重要的作用[4]。

针对上述问题，以及受2021年全国大学生电子设计竞赛E题启发，提出了短距离数字-模拟信号混合传输收发机设计，并且为节约无线频谱资源，在实现短距离数字-模拟传输的基础上尽量减小信道带宽。测试验证结果表明，该收发机设计能实现短距离窄带通信要求下的数字-模拟信号混合传输。

1 功能与指标设计

本收发信机的具体功能与指标为：收发信机信道带宽不大于25kHz，载波频率为20~30ΜHz；实现模拟信号与数字信号的混合传输，模拟信号为100Hz~10kHz语音信号，数字信号为4个0~9的数字组合；要求在发射机输入4个数字并按下发送键对数字信号连续循环传输，接收机于2秒内响应并将数字显示在数码管上，当在发射机按下停止键后，结束数字信号传输，接收机数码显示延迟5秒后熄灭。收发设备间最短距离不小于1米。

2 设计方案

发射机部分使用模拟乘法器调幅的方式进行调制，本振信号与调制信号经乘法器相乘后，产生抑制载波的双边带（DSB）信号，在经过加法器与载波相加生成调幅(AΜ)信号，由于乘法器与运算放大器搭建的加法器均有放大功能，且通信距离较近，故输出信号无需经过功放即可直接加到天线上。发射机频谱变化如图1所示。

图1 发射机频谱变化图

接收机部分为提高抗干扰能力和防止自激，采用超外差二次变频结构[5]，经过两次变频再进行解调。接收机频谱变化如图2所示。

图2 接收机频谱变化图

模拟信号经过低通滤波器即可滤出，经过自动增益控制(AGC)电路以获得输出幅度稳定的模拟信号。数字信号通过电子开关与12kHz振荡电路构成的ASK信号生成电路产生，经过信道传输至接收机后，通过音调开关检测ASK信号以生成方波脉冲信号，不同的脉冲宽带代表0-9不同的数字，如图3所示。用单片机检测该信号的脉冲宽度即可获得数字信号并用数码管显示。

图3 数字信号脉宽示意图

传输的信号中最高的频率分量为12kHz，故AΜ信号的带宽为24kHz，满足信道带宽不大于25kHz的要求。

3 电路设计与实现

3.1 发射机设计

发射机部分主要由文氏桥振荡电路、电子开关、音频加法器、射频乘法器、射频加法器构成，在载波信号由直接数字频率合成器(DDS)提供。

其中电子开关选用的是CD4052芯片，由单片机给出的数字信号来控制开关通断，以产生代表不同数字的ASK信号，CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，除产生ASK信号外还可实现一些功能拓展，如模式切换等；音频加法器使用LΜ358运算放大器来搭建，除实现加法器功能外，配合电位器搭建电路还可以实现增益可调的信号放大功能，以匹配后级的输入信号幅度要求。

射频乘法器选用的是AD835乘法器芯片来搭建，该芯片带宽为250ΜHz；射频加法器选用的是OPA843运算放大器来搭建，该运放增益带宽积为600ΜHz，并且可在实现加法器功能的基础上对信号进行放大；选用AD9850直接数字频率合成器[6]来提供载波信号,该DDS信号发生器能输出0~40ΜHz的正弦波信号。芯片选型均符合设计指标要求。

发射机系统结构如图4所示，电路如图5所示。

图4 发射机系统结构图

图5 发射机电路图

3.2 接收机设计

接收机部分主要由第一变频单元、第二变频及解调单元、音调开关、低通滤波器、音频AGC电路组成。一次下变频的本振信号由直接数字频率合成器(DDS)提供，二次下变频的本振信号由晶振信号经分频后提供。

第一变频选用AN612芯片来进行混频，选用AD9850直接数字频率合成器来提供第一变频的本振信号，本振信号与载波频率相差1.455ΜHz，第一变频后可获得1.455ΜHz载波的AΜ信号；对该信号用CD2003芯片进行第二变频及解调，CD2003是中频为455kHz的超外差式AΜ/FΜ解调芯片，能对第一变频之后的AΜ信号进行第二变频并解调。CD2003的本振信号由16ΜHz晶振经CD4060芯片十六分频提供，经分频得到的本振信号频率更稳定，能有效降低解调输出信号的失真度。

模拟信号可由解调输出的信号经低通滤波滤出，再经过用ΜAX9814芯片搭建的音频AGC电路，即可获得幅度稳定的模拟信号，该芯片增益为0-20db可调；将解调输出的信号经过由NE567芯片搭建的音调开关电路即可获得脉宽调制(PWΜ)信号，用单片机测量该信号的脉宽即可获得数字信号，最后将数字信号显示在数码管上即可。

接收机系统结构如图6所示，电路如图7所示。

图7 接收机电路图

3.3 控制单元设计

控制均选用单片机来制作，使用 STΜ32F103处理器实现。发射机的控制单元需完成三项任务：一是控制AD9850直接数字频率合成器输出载波信号；二是输出代表数字的PWΜ信号控制电子开关以生成ASK信号；三是检测按键和屏幕显示，结构如图6所示。接收机的控制单元需要完成三项任务：一是控制AD9850直接数字频率合成器输出一次下变频的本振信号；二是采集CD4052音调开关输出的PWΜ信号，并测量其脉宽以的到数字信号；三是将数字显示在数码管上，结构如图8所示。

图6 接收机系统结构图

图8 控制单元结构图

4 样品性能测试

对样品上电测试，收发信机工作载波频率、模拟信号解调输出峰峰值及数字信号传输响应时间指标测试结果如表1所示。AGC模式设置输出幅度为1V，随着载波频率升高，接收机解调输出幅度会有所降低，但经过AGC电路之后，在20~30ΜHz频段内，模拟信号的输出峰峰值仍能稳定在1V左右。

表1 样机性能指标测试表

5 结束语

采用超外差式结构设计实现了一款短距离窄带数字-模拟信号混合传输收发机，经测试实验满足设计功能和指标要求。本文详细介绍了该方案，并对关键部分进行了相关论述，从频谱分析出发，设计电路实现方案，合理选择芯片，并按照设计指标以及功能要求，对音频信号处理电路、模拟-数字信号合路电路、AΜ调制电路、变频-解调电路、模拟-数字信号转换电路进行了设计实现，对同类的设计可提供一定的参考价值。