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前言

受疫情的影响，电赛推迟到11月份才举行。本来该大二暑假参加的比赛变成了大三的事，本来得国奖能保研的事也不能了，但是本着有始有终的想法，也算是给自己两年的训练一个交代，依旧认真的参加了比赛，经历四天三夜的曲折最终还是得了国二。

团队介绍

团队成员来自重庆邮电大学YF105实验室。YF105实验室是重庆邮电大学的一个本科生实验室，设备齐全，有经费支持。

三个成员分别来自通信与信息工程学院的通信工程负责写单片机和FPGA代码

电子信息工程负责电路的设计与制作，主管硬件

电子信息工程（女生）负责报告的攥写、理论分析、辅助硬件设计

项目分析

先贴出题目要求

图中高亮的文字都是我们在比赛期间分析题目时标出的重点，由于大一大二两年主要训练的题目都是仪表仪器题目，并且准备国赛的时候也选择仪表仪器题目，对于通信题只在大二暑假的冲刺训练中训练过两道，一道是双路语音同传，一道是频谱仪，目的在于加强硬件设计的能力，没想到拿到题目后可供我们选择的只有A题，但是经过我们分析后发现A题的代码量过大，并且没有怎么用过Ti的单片机并且还不知道会有什么潜在的问题，所以经过我们半天的讨论，最终赌一把选择E题。

由于这是我们做的第三道高频题，所以是没有什么经验的，加上通信原理也才开始学，刚学完模拟调制部分，还没有学数字调制，所以对于那些很高端的调制方法是不会的，这里也不再分析其他高端方法。我们花了半天时间翻了翻通信原理的书，觉得2ASK调制的方式比较好，而且实现难度不大，经过严密的理论分析，发现是能达到带宽的要求的。所以决定使用这种方法。但是问题又来了，暑假我们使用的是FM调制方式，这次使用的是AM调制方式，暑假的FM解调是把我们搞麻了，太不好解调了，并且这个AM非相干解调的电路如此简单，不禁让人怀疑它的真实性。其次就是天线，自己做是不会了，只有用现成的拉杆天线，但是阻抗匹配又是一个大难题，史密斯圆图理论和实际相差得实在太大，能不能匹配上全靠运气，暑假那道题我是花了两天时间才将天线匹配上了。所以问题多多。

理论分析与计算

整体描述

本作品设计实现了数字-模拟信号混合传输收发机。作品分为发送端和接收端两个部分，发送端采用频分复用的思想，通过键盘键入数字，数字编码后转化为中心频率为11.5KHz的2ASK（二进制幅移键控）信号，该信号与50Hz10KHz内的模拟信号相加，实现了数字-模拟合路；合路信号采用AM调制后放大发送；接收端首先利用带通滤波与低噪声放大器对信号进行处理，采用包络检波对处理后的信号进行AM解调，利用数字滤波器将包含键入数字的2ASK信号和模拟信号分离，模拟信号整形处理后输出，2ASK信号转换为方波进入单片机解码，将解码后的数字在接收端显示。实测表明作品实现了50Hz10KHz模拟与数字信号混合传输，信道带宽不大于25KHz，传输距离大于1米，模拟信号无明显失真，数字信号显示正确。

方案论证分析

20MHz~30MHz载波方案论证分析

本来准备采用AD9959，这是一款DDS芯片，而且有现成的模块，现成的代码，最高频率能够达到300MHz，所以是完全能能够满足的，并且十分方便，但是有一个致命的问题就是，它的功耗实在是太大了，工作电流竟然能够达到300mA，在我们用信号源作为载波的时候，整体工作电流才120mA,这显然是不行的。第二种就是采用锁相环，这个难搞，没做过，直接pass。然后就采用了最简单的方法，采用晶振加滤波的方法，通过切换不同频率的晶振实现载波的变换，不过他们的频率差距较大，对天线有要求，所以有舍有得，最后做出来效果是很不错的，无源滤波器要做得陡峭一些，要把杂散频率滤干净，这样才能使发送的频谱信息干净。赛后我们发现，AD9854这款DDS就很好，工作电流只有20mA，这无疑是非常方便的。我们买来，效果也很好，但是需要注意的是要把它和乘法器的阻抗匹配好，不然信号反射回去产生交调失真，频谱简直不能看。

信号合成

不能采用分开发，题目要求就是一个信道一起发，所以有频分复用，时分复用，当然还有码分复用，这个太复杂，不考虑。时分复用，该方案是将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输，在接收端再用某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术。该方案的抗干扰能力更强，但需要精确的时钟信号来判断传输的信号类型，实现较为复杂。频分复用，发射端将语音信号以一频段传输，数字信号编码后转换为2ASK信号以另一频段传输，将两路不同频带语音信号通过加法器合成为一个信号，接收端再对两路信号分别进行恢复。该方案的优点是信道利用率高，实现较为简单，两路信号可以同时传输，缺点是题目中有信道带宽限制，两个频段之间相距不够远，接收端将两路信号分离的滤波器需要很高的滚降系数，但我们通过数字滤波解决了这个问题。

调制方式

采用AM调制方法，AM是通过改变载波信号波形的幅度，让AM调制波形的幅度随着合成信号波形变化而变化，将合成信号与载波信号通过乘法器即可实现AM调制。该方案的优点是电路较少实现简单，缺点是抗噪声性能较弱，远距离传输损耗较大，但是我们只传1米的距离，所以它的缺点是可以忍受的。采用FM调制方法，把合成信号用载波的频率来承载，可通过将信号反馈到一个压控振荡器的输入实现，该方案的优点是抗噪声能力更强，但是电路较为复杂，特别是接收端的解调。

总体方案

系统分为发送端和接收端两部分。发送端数字键盘键入一组4个数字，STM32存储该数字并在数码管显示，数字经编码后转化为2ASK信号，该信号与函数发生器产生的语音信号合路，合路信号经AM调制后发出，AM调制载波频率可选；接收端接收信号后经过低噪放，将接收到的微弱信号放大，带通滤波减少噪声，信号经包络检波后得到数字模拟混合信号，该信号经过FPGA滤波后得到的语音信号直接在示波器上显示，滤波后的数字信号转换为二进制码元传递给单片机，单片机处理后将数字在数码管上显示。

理论分析与计算

1.数字-模拟信号合路分析

（1）数字编码与解码

为了将接收端和发送端发送接收数据同步，我们规定了发送端和接收端的通信的协议，具体如图2所示，一次发送30个码元，码元速率为40Hz，数据最大值为9999，对应二进制码为10011100001111，长度为14bit，我们在数据前添加1个bit数据，接收到 1时，说明数据开始传输，单片机接收数据，在数据尾端添加15bit的0。

（2）双路信号合路

语音信号以正弦信号为例进行分析，记信号发生器产生的语音信号式（1）：

其中，为语音信号幅度，为语音信号频率，范围为50Hz~10KHz。
数字信号编码后转换为2ASK信号，为了和语音信号的频段分开，2ASK的载波频率选取11.5KHz，即ƒc0为11.5KHz，2ASK信号如式（2）所示：

其中，为输入码元，取值为0或1，为二进制码元周期，为载波信号幅度。
2ASK信号带宽为基带带宽的两倍，故基带带宽不能过宽，由上一小节分析可知，在2S内，我们需要传输30个码元，故码元传输速率，我们选择 =40bit/s发送码元，此时2ASK信号的带宽为。两路信号通过加法器相加得合路信号如式（3）所示：

2.信道带宽设计分析

信号合成示意图如图3所示，我们对合成信号带宽进行分析，原始载波信号为0~10KHz，带宽约为20KHz，2ASK信号的载波频率为11.5KHz，带宽为80Hz，（图中只画出了主瓣频率，旁瓣信号幅度很小可忽略），两路信号合成后的信号带宽约为23KHz，小于题目中信道带宽25KHz，满足题目要求。

3.AM调制分析

合成信号为式（3）中的m(t)，用20MHz~30MHz作为载波对信号进行AM调制，调制后信号如式（4）所示：

其中，为载波频率，A为加在信号上的直流偏置。

4.包络检波分析

包络检波电路如图5所示，通过二极管的导通截止和电容的充放电解调出AM信号，当RC满足式（5）时，输出信号波纹将不明显，输出信号近似正比与原基带信号。

其中，表示载波频率，表示基带信号的带宽。

硬件电路分析

先说明一下，我们整个作品都是采用的现有的模块，比如DDS，FPGA，加法器，乘法器，放大器，跟随器等，我相信真的认真准备电赛的小伙伴们都对这些东西都是很熟悉的，所以这些也没什么好讲的，就具体说一说各芯片的型号。产生ASK信号的DDS采用的是AD9833，这个我们在参加校赛时使用过，效果很好，然后就是加法器，加法器采用的是NE5532，跟随器采用的是OPA1611,发射机的放大器采用的是AD847,乘法器采用经典的AD835，这些均有模块可买，当然自己画电路也不复杂，可能自己画的比买的效果更好！FPGA采用的是赛灵思的。下图是包络检波器，参数这些都是能用的，实际上效果还不错，但是比赛中我们又发现了一款现成的包络检波器，那个效果更好，更推荐使用，不过有点贵了。名为AD8361模块，但是买来后要根据它的电路看一看，它输出端接了一个低通滤波，输出有直流分量，要改一改，可以试一试。

最重要的是各种滤波器的设计，滤波器呢采用一宽名为filtersolution的软件设计，这款软件相当好用，能设计无源和有源滤波器，我们使用的各种滤波器都是用它设计的，题目中要使用无源带通滤波器，使用的是椭圆函数滤波器，效果极好！这个软件没用过的话上手很快的。

天线的匹配的话，矢量网络分析仪是必备的，如果足够强可以根据射频电路上的采用两个元件直接匹配，但是根据我有限的经验是不行的，所以我采用的方法是采样那个滤波器设计软件设计一个3阶的带通滤波器，效果是很好的，当然跟你源器件的精度有关，虽然差了点，但是能用，省时间！屡试不爽，这个方法是我们复盘的时候想到的。

首先给出一张实物硬件连接的拓扑图：

绘图1.jpg
发送机部分：硬件连接就如图所示，直流偏置是必须的，根据AM调制的公式可以得出。数字信号有单片机控制AD9833DDS模块产生ASK信号，具体来讲就是给一个固定的正弦波信号，然后通过控制通道选择器的开、关产生ASK信号，这里需要注意的是，通过通道选择器后的信号叠加得有一个直流信号，这个信号是不行的，必须去掉直流信号是ASK信号对称，所以需要在通道选择开关这个模块的输出接一个一阶的RC高通滤波器。本振信号的产生使用AD9854较好，因为功耗低，效果好，可调的频率也多，这里需要注意的是由DDS产生的本振信号是有谐波的，所以需要加一个带通滤波器，否则频谱仪上看就会有非常多的谐波分量，然后就是乘法器的输口和那个滤波器的阻抗要匹配，否则信号发生反射，也会有谐波产生！接天线的放大器找一个宽带放大器即可，不需要用到低噪放，低噪声放大器也不是用在这里的。
接收机部分：首先就是天线的匹配，如果不匹配天线，可能会接收到信号，但是效果一定非常的差！所以还是要做阻抗匹配的。接着就是低噪放，这里强烈建仪使用低噪放，因为低噪能提高信噪比！后面就借一个包络检波器，推荐有源的，效果比二极管的要好。然后接一个低通滤波器，通过这个滤波器的信号基本就可以使用了。为了和后级的阻抗匹配，加一个跟随器缓冲，此时应该会有直流分量所以跟随器的输出口也需要加隔直的滤波电路。信号处理完后就进入一个ADC,ADC的信号给FPGA,FPGA里面有一个11.5kHZ的低通滤波器，将模拟信号滤出来，然后DAC打出来接滤波器显示。FPGA里面还有一个处理数字信号的电路，将数字信号又还原为方波，然后接单片机单片机处理后显示出来。~~~~

需要注意的问题

观察电路的波形是否正确不能只通过示波器的波形形状来判断，这在通信题中行不通，要分析波形的每一个参数，特别是直流分量，这里不能引入直流分量，所以说现成的模块不一定能用，需要在某些地方加一些隔直，具体情况具体分析。如果你的频谱出现了很多谐波分量，考虑是否阻抗匹配有问题，这一点很重要！

程序流程图

在发送机端，我们采用2ASK调制对数字进行调制，需要对该比流数据进行编码，编码思路见图2。解码过程如下：在无数据发送的情况下，默认在发送机发送的比特为0，当接收到第一个高电平数据时，表示编码后的数据发送开始。此后14个电平数据将会被采集记录，转换为10进制数据并显示。发送完前15个bit数据后，将会发送15个bit的0电平，保证数据传输的稳定性。