2021年E题 数字-模拟信号混合传输收发机 -绿波电龙队

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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 个 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

1、做AM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10K和12K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

如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1/3和1/5，频率为60HZ和100HZ，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：

1）DDS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AD9959的DDS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 solution和filter 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。