2021年E题 数字-模拟信号混合传输收发机 -绿波电龙队 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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标准版 2021年E题 数字-模拟信号混合传输收发机 -绿波电龙队

简介:2021年电子设计竞赛山东省E题国二作品

开源协议: Public Domain

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2021-12-08 23:15:32
更新时间: 2023-06-30 15:41:22
描述

视频链接

链接:https://pan.baidu.com/s/1NjkJmUVNRqUF982Hib7RoA
提取码:1234

赛题任务

E题为数字-模拟信号混合传输的无线收发机:其中,数字信号由 4 0~9 的一组数字构成;模拟信号为语音信号。收发机的发送端完成数字信号和模拟信号合路处理,在同一信道调制发送。收发机的接收端完成接收解调,分离出数字信号和模拟信号,数字信号用数码管显示,模拟信号用示波器观测。

 

题目要求:

1、基本要求

1)实现100Hz~5kHz 的语音模拟信号传输。

2)实现四位十进制数字信号传输并在接收端数码管显示,相应时间小于两秒。

3)实现数字-模拟信号的混合传输。

4)收发机的信道带宽不大于 25kHz,载波频率范围为 20~30MHz。要求 收发机可在不少于 3 个载波频率中选择设置,具体的载波频率自行确定。

2、发挥部分

1)数字停止发送后,接收端数码显示延迟 5 秒熄灭。

2)收发机发送端的功耗越低越好。

3)模拟信号频率范围扩展到 50Hz~10kHz

 

赛题分析

看起来题目要求很简单,但其实困难的点都在说明中:

1)数字和模拟信号必须先经过合路电路处理。部分同学想通过模拟和数字分开传输是肯定不行的。

2)收发机的发送端和接收端均用电池单电源供电。正常来说使用线性稳压电源纹波比较小,效果比较理想,使用电池供电虽然纹波很小,但是一般电池难以直接获得需要的所有电压,需要另外转换到其他电压,转换过程中就可能产生很大纹波(对高频电路影响非常大),之后需要另外稳压,稳压则又会有很大功率损耗。

3)强调了信道带宽约定为已调信号的 -40dB 带宽。如果有的方案理论上带宽就很接近25KHZ,实际上40db是很难做到的,需要很高阶的滤波器。

 

调制方案

1AM的频分复用

模拟信号为50-10kHZ,数字信号选用其他频率直接叠加即可。输出部分使用不同的滤波器区分出来即可。这里就有一个非常重要的问题就是数字信号选择什么频率。以25MHZ为载波则正常来说AM调制频谱如下,频谱带宽已经达到了20Khz,而题目要求带宽不超过25KHZ。那么数字信号理论上最大只能小于12.5KHZ


但是数字信号发送方波,会有很多谐波,如果全部滤除会丢失数字信息成为标准正弦波。如果不滤掉,谐波的频率为基波倍数,一定会超过题目标准。此外10K12K相差很小,后级做区分的高低通滤波器也不好设计。所以需要改用其他方法。

当然,可以在AM调制基础上加滤波器构成SSB调制只保留单边带(图中保留上边带)

这里一般用窄带滤波器(常用晶体滤波器)由于晶体有一般常用的频率所以选21.4MHZ做载波。但是数字的谐波也有一定影响,三次以上谐波必须小才能保证25KHZ带宽。当然,同上面两个频段离得近,后级也不好区分。

既然数字信号频率大于语音时难做,那么我们就选择小于语音即小于50HZ,但是太小容易接收超过两秒,太大数字的谐波会影响语音低频的特性。我们这里选择了20HZ

 

2、时分复用

分时间做模拟和数字混合之后AM调制传输,如下图。但是解调复杂,需要判断模拟和数字并恢复出来模拟,对于10KHZ的模拟如果单纯正弦波测频率的话,单片机可以实现,之后直接DDS输出对应频率。但是题目中说语音信号当时不确定是否含有多个频率,如果多个频率则需要用高速ADC采样在高速DAC输出,需要用FPGA,编写很费时间,所以不采用。

 

3、  相位调制

16QAM,发射机需要用DDS和乘法器做信号相位变化,需要乘法器很多,电路复杂。解调用相干解调也很复杂。我们在短时间不方便实现,但是如果能实现效果应该是很不错的。

综上,数字信号频率高过模拟带宽不好控制,由于模拟信号50-10KHZ,我们最后选择了20HZ(每一个电平40HZ)的数字信号,直接AM调制,优点是频谱一定容易满足,而且省去很多滤波器实现简单,缺点有两个:

1)数字收发慢。用BCD编码的话4位十进制编码为16位二进制,还要插入定位帧,发一遍就接近半秒,如果接收机难以一次检测成功则很容易超过两秒。不过我们认为数字信号传输质量应该还是可以保证的,最后事实确实如此,数字收发很准反应也很快。

2)模拟信号低频段50-100HZ很容易受到数字谐波干扰。

20HZ数字信号(假定为占空比为50%的方波)的三次和五次谐波分别为基波的1/31/5,频率为60HZ100HZ,对扩展要求中50-100HZ语音有影响。当然高频题难度大,且这个部分是扩展要求,我们为了保证整体功能实现这部分先舍弃,留作有时间再最后优化。最后低频部分其实也是很多队伍的难点。

这里设想的优化方式(时间关系之后并没有尝试)有两种:1. 数字信号频率改为15HZ左右,三次谐波则为45HZ左右,五次谐波幅度较小,且在输出时RC滤波有一定衰减,基本可忽略。但语音信号高通滤波需要避免三次谐波影响,过渡带很窄,阶数很高。

2. 数字信号改为DAC产生半(或整)个正弦,如下图,或者数字经过ASK调制(可以直接使用DDS一开一停来实现),从根本上减少谐波产生。(方案简单可行,见到很多国一也对数字进行了ASK,但我们时间原因未实现)

 

 

 

 

 

 

方案实现

总体方案设计如下图所示:

1、  硬件实现

1)发射部分

发射部分将数字和模拟信号进行相加后直接乘法输出产生包络,控制幅度使得调制深度50%左右,太小不方便检出包络,太大容易过调制。

加法器电路原理图

对于加法器电路,这里由于乘法器有一定输入幅度限制(一般为±1V),而方波输出为3.3V,所以需要对方波进行缩放,加法器电路先用反向放大器缩小,之后再通过加法器和正弦波叠加。由于调制不能有负,所以需要对方波添加一定直流偏置,也可以用信号发生器发生正弦时候对正弦波加偏置。设计中部分电阻设计为滑动变阻以便调节。

波形输出大致为:

之后经过模拟模拟乘法器AD835后输出波形如下图,外围包络线波形和加法器输出波形类似,这里可以看到如果加法器输出有负的,包络线会越过零刻度线相交,解调容易发生错误。

最后输出由于测试只需要1m功率足够且发射机整体功率越小越好,所以不用加功放。由于时间和条件有限,本设计功率我们并没有重点考虑,使用了开关电源加线性电源稳压使得功率较大,在3W左右。如果省去开关电源稳压,功耗将大幅下降。

同时要注意以下几点:

1DDS幅度需要比加法器输出大 否则也无法正常调制,幅度太小可以加AGC稳定放大。这里我们为1V左右。部分乘法器会有本振±1v的输入限制。

2)数字信号后的RC电路直接串联即可,具体调节只需要把高次谐波减弱,不影响语音即可无太大要求,否则会在解调后模拟输出有固定频率毛刺(类似冲激函数,只在数字发送上升下降沿产生频率和带通滤波有关)

RC为一阶直接串联即可  悬浮的即RC  下方为加法器

 

2)接收部分

1)根据AM调制解调原理,接收部分主要实现包络检波以及语音和数字的区分,包络检波后的波形即包络线,应该和加法器后波形基本一致。之后根据语音和数字频率不同,经过带通和低通区分模拟和数字信号。

2)功放主要是控制幅度问题。天线接收信号太小,需要放大。此外理论上应该通过一级带通放大器(20-30MHZ)滤去其他频段干扰,我们的天线构成了LC选频网络。但是实验发现主要50HZ工频干扰相比发送的信号幅度过大,功放带宽0.1MHZ-3000MHZ能够把50HZ基本滤去,我们这里没有合适增益的功放,就用了VCA替代(不是低噪声,但是实测影响不大,主要近距离功率大)

3)带通滤波器需要用高通加低通来实现,否则很麻烦。尽量不用有源滤波器,会引入噪声需要另外滤除。但是有可能衰减太大,可以高通使用有源滤波器控制幅度,后级无源低通会很大程度上滤除噪声。

4)包络检波直接用肖特基二极管做无源的就可以,淘宝有源的也行不过有点贵

5)模拟信号发送频率变化一定程度上会影响数字信号幅度,在程序里写了自动判断阈值

3)天线

按照频率和天线长度的关系,25MHZ天线需要3米才能达到发射和接收转换效率最高。但我们只需要一米的传输距离,没有必要要求那么高。天线不够长影响的主要时对不同频段的增益,理论上只需要将天线后加25MHZ为中心的带宽滤波器选择出我们发射的信号,之后再放大即可,对天线本身要求不高。

我们这里使用漆包线绕棍(这里木棍,铁棍没试过,可自行测试)缠制,串联可调电容(我们选用PF级的)组成LC选频网络(相当于使用了带通滤波器)之后接进低噪声放大器即可。具体选频性能需要连接网络分析仪用反射来观察。题目并不要求20-30MHZ全部频段,任选三个频点即可。所以天线窄带到25MHZ左右,选频在此附近即可。正常来说10-20DB左右。 这样做很大的好处就是简单,但是由于天线使用胶带固定,偶尔会有松动,导致频率特性发送一定变化。

此外网上有人用环形天线或者定向天线,也可以自行尝试。

        

 

软件实现

程序流程图

1发射机程序:主要根据AD9959DDS控制程序修改,进行了页面的优化,添加了数字键入和BCD编码的显示,最后数字信号用IO口高低电平输出,为了保证数字信号发送频率稳定不受其他程序干扰,将数字信号发送功能放入高优先级的定时器中断中,开关中断即可开启和关闭数字发送。

                                 使用DDS控制板 STM32F1  具体为淘宝康威家的带OLED的  接AD9959作为DDS 输出为DDS的CH1通道(没有控制板也可以按照管脚定义用F103的板子接DDS)
                                 数字信号发射引脚为DATA_OUT  PC8 使用I/O高低电平输出  可以改为DAC输出具体参照正点原子DAC实验
                功能:开机后默认发生0101循环  之后按中间键进入编辑数码页面 自动关闭发送 选好数字后再按中间按键发送之前编辑的数码(数码前面会加上00001111的定位码 方便接收端检测)。 发送时蓝灯会亮且可继续其他操作(发送使用定时器中断) 按中间键再次循环到编辑数码时向下按则可以关闭发生。发送频率为20HZ 具体在代码开始都有宏定义Code_Freq可以更改

软件页面CHO后数字为载波频率,DATAOUT为输出数字编码,下方为运行状态和转为二进制的编码显示。

2接收机程序:整体设计思路非常简单就是ADC采样抽判检测高低电平,之后进行解码显示。数码显示使用带TM1367的数码管模块,通过IIC通信,管脚只需要四个,自动刷新,控制简单。

但是实际上会有两个问题:首先,随着模拟频率变化,数字信号幅度也会有一点变化,如果检测阈值不变就容易让抽判结果错误。所以这里加入了一个阈值检测和更新的程序,即快速ADC检测并计算出最大和最小的数据,剔除偏差较大的,分别求平均值来获得新的阈值。其次,ADC采样中可能遇到波形的毛刺或者不同步,使得结果错误。添加每一位解码结果小于10的判断,另外采样函数放入高优先级的定时器中断中,保证间隔稳定。

使用STM32F1迷你版和精英版通用有LCD显示功能,不用LCD情况下可用其他F103板子替代,数码管使用带TM1637的IIC显示模块,操作方便,引脚为VCC-PC4 CLK-PA4 DIO-PC5 可在TM1637.h中修改。如果修改DIO引脚需要同时修改其下方DIO方向语句,ADC检测引脚为PA1,GET_Range()为自动检测阈值开机只启动一次,需要DDS先启动(默认发射0101循环以便检测阈值)

 

 

实物展示

发射机

 

接收机

前级分别是VCA821和包络检波(淘宝)。

装配和采购

为了实现方便这里使用了大量淘宝成品模块,下面有具体模块图片,没必要型号和店家都一样,如DDS AGC VCA等只要功能正常满足基本参数要求即可。

发射机

其中DDS为AD9959(也可更换其他),控制板与其配套,AGC为AD603,乘法器为AD835,淘宝购置即可,DC-DC转正负双电源为TPS5430+LM317/337模块(不能只用TP5430的,纹波大)

具体如下

接收机

包络检波就淘宝二十多的就可以,很多这里的VCA821如图

比赛心得

1、  电赛前期准备非常重要

高频电路中大部分可以依靠已有的模块搭建,而主要需要设计的是一些滤波器,我们在前期准备中学习和尝试了filter solutionfilter pro的滤波器设计,并绘制打印了一部分滤波器的PCB,在比赛中使用PCB直接焊接就显得非常方便,此外也获得如部分情况使用椭圆滤波器效果阻带下降效果更好,带通滤波器使用高通加低通级联频带效果好,有源滤波器容易引入噪声,无源滤波器衰减很大等经验,让我们在比赛中设计滤波器就显得得心应手。

2、  高频题方案选择很重要

高频题目理论要求很高,涉及信号与系统,高频电子线路,通信原理等专业课程的很多相关知识,大部分依靠电路来实现,最终实现效果也可能和理论有些许不同。不同的方案选择实现难度和效果都相差很大,如果一开始没有看懂题目,没有想清楚实现过程,而且相关模块自己校内很难找到,中途改方案基本是不可能的。

3、  需要保持良好的心态,积极与指导老师和队友沟通

电赛时间非常紧张,高频调试过程中往往理论知识是不够的,总是会遇到一些意想不到的问题。一个人的思维难免局限,如果许久难以解决,就需要我们积极和老师同学沟通,不断尝试,发现规律,找到问题,逐步解决。

 

设计图
原理图
1 /
PCB
1 /
未生成预览图,请在编辑器重新保存一次
ID Name Designator Footprint Quantity
1 10k R1,R2,R4,R5,R6,R7 R0805 6
2 100K R3 RES-ADJ-TH_3590S-2-104L 1
3 5K VR1 RES-ADJ-SMD_3224W 1
4 NE5532DR U1,U2,U3,U4,U5 SOIC-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 5
5 100nF C1 CAP-TH_L23.0-W8.0-P20.00-D1.2 1
6 51nF C2,C3 CAP-TH_L23.0-W8.0-P20.00-D1.2 2
7 82k R8 R0805 1
8 13k R9 R0805 1
9 470nF C4 C0603 1
10 560nF C5 C0603 1
11 330nF C6 C0603 1
12 680nF C8 C0603 1
13 173.6nF C9 C0603 1
14 470uH L2 L0603 1
15 1m L3 L0603 1
16 1k R10 R0603 1
17 50 R11 R0603 1
18 13nF C7 C0603 1
19 100nF C10 C0603 1
20 120k R12,R14,R15,R17 R0603 4
21 91k R13,R16 R0603 2

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