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賽題任務(wù)

E題為數(shù)字-模擬信號(hào)混合傳輸?shù)臒o(wú)線收發(fā)機(jī)：其中，數(shù)字信號(hào)由 4 個(gè) 0~9 的一組數(shù)字構(gòu)成；模擬信號(hào)為語(yǔ)音信號(hào)。收發(fā)機(jī)的發(fā)送端完成數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)合路處理，在同一信道調(diào)制發(fā)送。收發(fā)機(jī)的接收端完成接收解調(diào)，分離出數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)用數(shù)碼管顯示，模擬信號(hào)用示波器觀測(cè)。

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題目要求：

1、基本要求

（1）實(shí)現(xiàn)100Hz~5kHz 的語(yǔ)音模擬信號(hào)傳輸。

（2）實(shí)現(xiàn)四位十進(jìn)制數(shù)字信號(hào)傳輸并在接收端數(shù)碼管顯示，相應(yīng)時(shí)間小于兩秒。

（3）實(shí)現(xiàn)數(shù)字-模擬信號(hào)的混合傳輸。

（4）收發(fā)機(jī)的信道帶寬不大于 25kHz，載波頻率范圍為 20~30MHz。要求 收發(fā)機(jī)可在不少于 3 個(gè)載波頻率中選擇設(shè)置，具體的載波頻率自行確定。

2、發(fā)揮部分

（1）數(shù)字停止發(fā)送后，接收端數(shù)碼顯示延遲 5 秒熄滅。

（2）收發(fā)機(jī)發(fā)送端的功耗越低越好。

（3）模擬信號(hào)頻率范圍擴(kuò)展到 50Hz~10kHz。

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賽題分析

看起來(lái)題目要求很簡(jiǎn)單，但其實(shí)困難的點(diǎn)都在說(shuō)明中：

（1）數(shù)字和模擬信號(hào)必須先經(jīng)過(guò)合路電路處理。部分同學(xué)想通過(guò)模擬和數(shù)字分開(kāi)傳輸是肯定不行的。

（2）收發(fā)機(jī)的發(fā)送端和接收端均用電池單電源供電。正常來(lái)說(shuō)使用線性穩(wěn)壓電源紋波比較小，效果比較理想，使用電池供電雖然紋波很小，但是一般電池難以直接獲得需要的所有電壓，需要另外轉(zhuǎn)換到其他電壓，轉(zhuǎn)換過(guò)程中就可能產(chǎn)生很大紋波（對(duì)高頻電路影響非常大），之后需要另外穩(wěn)壓，穩(wěn)壓則又會(huì)有很大功率損耗。

（3）強(qiáng)調(diào)了信道帶寬約定為已調(diào)信號(hào)的 -40dB 帶寬。如果有的方案理論上帶寬就很接近25KHZ，實(shí)際上40db是很難做到的，需要很高階的濾波器。

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調(diào)制方案

1、做AM的頻分復(fù)用

模擬信號(hào)為50-10kHZ,數(shù)字信號(hào)選用其他頻率直接疊加即可。輸出部分使用不同的濾波器區(qū)分出來(lái)即可。這里就有一個(gè)非常重要的問(wèn)題就是數(shù)字信號(hào)選擇什么頻率。以25MHZ為載波則正常來(lái)說(shuō)AM調(diào)制頻譜如下，頻譜帶寬已經(jīng)達(dá)到了20Khz,而題目要求帶寬不超過(guò)25KHZ。那么數(shù)字信號(hào)理論上最大只能小于12.5KHZ。

但是數(shù)字信號(hào)發(fā)送方波，會(huì)有很多諧波，如果全部濾除會(huì)丟失數(shù)字信息成為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。如果不濾掉，諧波的頻率為基波倍數(shù)，一定會(huì)超過(guò)題目標(biāo)準(zhǔn)。此外10K和12K相差很小，后級(jí)做區(qū)分的高低通濾波器也不好設(shè)計(jì)。所以需要改用其他方法。

當(dāng)然，可以在AM調(diào)制基礎(chǔ)上加濾波器構(gòu)成SSB調(diào)制只保留單邊帶（圖中保留上邊帶）

這里一般用窄帶濾波器（常用晶體濾波器）由于晶體有一般常用的頻率所以選21.4MHZ做載波。但是數(shù)字的諧波也有一定影響，三次以上諧波必須小才能保證25KHZ帶寬。當(dāng)然，同上面兩個(gè)頻段離得近，后級(jí)也不好區(qū)分。

既然數(shù)字信號(hào)頻率大于語(yǔ)音時(shí)難做，那么我們就選擇小于語(yǔ)音即小于50HZ，但是太小容易接收超過(guò)兩秒，太大數(shù)字的諧波會(huì)影響語(yǔ)音低頻的特性。我們這里選擇了20HZ。

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2、時(shí)分復(fù)用

分時(shí)間做模擬和數(shù)字混合之后AM調(diào)制傳輸，如下圖。但是解調(diào)復(fù)雜，需要判斷模擬和數(shù)字并恢復(fù)出來(lái)模擬，對(duì)于10KHZ的模擬如果單純正弦波測(cè)頻率的話，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)，之后直接DDS輸出對(duì)應(yīng)頻率。但是題目中說(shuō)語(yǔ)音信號(hào)當(dāng)時(shí)不確定是否含有多個(gè)頻率，如果多個(gè)頻率則需要用高速ADC采樣在高速DAC輸出，需要用FPGA,編寫很費(fèi)時(shí)間，所以不采用。

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3、? 相位調(diào)制

如16QAM，發(fā)射機(jī)需要用DDS和乘法器做信號(hào)相位變化，需要乘法器很多，電路復(fù)雜。解調(diào)用相干解調(diào)也很復(fù)雜。我們?cè)诙虝r(shí)間不方便實(shí)現(xiàn)，但是如果能實(shí)現(xiàn)效果應(yīng)該是很不錯(cuò)的。

綜上，數(shù)字信號(hào)頻率高過(guò)模擬帶寬不好控制，由于模擬信號(hào)50-10KHZ，我們最后選擇了20HZ（每一個(gè)電平40HZ）的數(shù)字信號(hào)，直接AM調(diào)制，優(yōu)點(diǎn)是頻譜一定容易滿足，而且省去很多濾波器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)有兩個(gè)：

（1）數(shù)字收發(fā)慢。用BCD編碼的話4位十進(jìn)制編碼為16位二進(jìn)制，還要插入定位幀，發(fā)一遍就接近半秒，如果接收機(jī)難以一次檢測(cè)成功則很容易超過(guò)兩秒。不過(guò)我們認(rèn)為數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量應(yīng)該還是可以保證的，最后事實(shí)確實(shí)如此，數(shù)字收發(fā)很準(zhǔn)反應(yīng)也很快。

（2）模擬信號(hào)低頻段50-100HZ很容易受到數(shù)字諧波干擾。

20HZ數(shù)字信號(hào)（假定為占空比為50%的方波）的三次和五次諧波分別為基波的1/3和1/5，頻率為60HZ和100HZ，對(duì)擴(kuò)展要求中50-100HZ語(yǔ)音有影響。當(dāng)然高頻題難度大，且這個(gè)部分是擴(kuò)展要求，我們?yōu)榱吮ＷC整體功能實(shí)現(xiàn)這部分先舍棄，留作有時(shí)間再最后優(yōu)化。最后低頻部分其實(shí)也是很多隊(duì)伍的難點(diǎn)。

這里設(shè)想的優(yōu)化方式（時(shí)間關(guān)系之后并沒(méi)有嘗試）有兩種：1. 數(shù)字信號(hào)頻率改為15HZ左右，三次諧波則為45HZ左右，五次諧波幅度較小，且在輸出時(shí)RC濾波有一定衰減，基本可忽略。但語(yǔ)音信號(hào)高通濾波需要避免三次諧波影響，過(guò)渡帶很窄，階數(shù)很高。

2. 數(shù)字信號(hào)改為DAC產(chǎn)生半（或整）個(gè)正弦，如下圖，或者數(shù)字經(jīng)過(guò)ASK調(diào)制（可以直接使用DDS一開(kāi)一停來(lái)實(shí)現(xiàn)），從根本上減少諧波產(chǎn)生。（方案簡(jiǎn)單可行，見(jiàn)到很多國(guó)一也對(duì)數(shù)字進(jìn)行了ASK，但我們時(shí)間原因未實(shí)現(xiàn)）

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方案實(shí)現(xiàn)

總體方案設(shè)計(jì)如下圖所示：

1、? 硬件實(shí)現(xiàn)

（1）發(fā)射部分

發(fā)射部分將數(shù)字和模擬信號(hào)進(jìn)行相加后直接乘法輸出產(chǎn)生包絡(luò)，控制幅度使得調(diào)制深度50%左右，太小不方便檢出包絡(luò)，太大容易過(guò)調(diào)制。

加法器電路原理圖

對(duì)于加法器電路，這里由于乘法器有一定輸入幅度限制（一般為±1V），而方波輸出為3.3V，所以需要對(duì)方波進(jìn)行縮放，加法器電路先用反向放大器縮小，之后再通過(guò)加法器和正弦波疊加。由于調(diào)制不能有負(fù)，所以需要對(duì)方波添加一定直流偏置，也可以用信號(hào)發(fā)生器發(fā)生正弦時(shí)候?qū)φ也悠谩ＴO(shè)計(jì)中部分電阻設(shè)計(jì)為滑動(dòng)變阻以便調(diào)節(jié)。

波形輸出大致為：

之后經(jīng)過(guò)模擬模擬乘法器AD835后輸出波形如下圖，外圍包絡(luò)線波形和加法器輸出波形類似，這里可以看到如果加法器輸出有負(fù)的，包絡(luò)線會(huì)越過(guò)零刻度線相交，解調(diào)容易發(fā)生錯(cuò)誤。

最后輸出由于測(cè)試只需要1m功率足夠且發(fā)射機(jī)整體功率越小越好，所以不用加功放。由于時(shí)間和條件有限，本設(shè)計(jì)功率我們并沒(méi)有重點(diǎn)考慮，使用了開(kāi)關(guān)電源加線性電源穩(wěn)壓使得功率較大，在3W左右。如果省去開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓，功耗將大幅下降。

同時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1）DDS幅度需要比加法器輸出大 否則也無(wú)法正常調(diào)制，幅度太小可以加AGC穩(wěn)定放大。這里我們?yōu)?/span>1V左右。部分乘法器會(huì)有本振±1v的輸入限制。

2）數(shù)字信號(hào)后的RC電路直接串聯(lián)即可，具體調(diào)節(jié)只需要把高次諧波減弱，不影響語(yǔ)音即可無(wú)太大要求，否則會(huì)在解調(diào)后模擬輸出有固定頻率毛刺（類似沖激函數(shù)，只在數(shù)字發(fā)送上升下降沿產(chǎn)生頻率和帶通濾波有關(guān)）

RC為一階直接串聯(lián)即可? 懸浮的即RC? 下方為加法器

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（2）接收部分

1）根據(jù)AM調(diào)制解調(diào)原理，接收部分主要實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波以及語(yǔ)音和數(shù)字的區(qū)分，包絡(luò)檢波后的波形即包絡(luò)線，應(yīng)該和加法器后波形基本一致。之后根據(jù)語(yǔ)音和數(shù)字頻率不同，經(jīng)過(guò)帶通和低通區(qū)分模擬和數(shù)字信號(hào)。

2）功放主要是控制幅度問(wèn)題。天線接收信號(hào)太小，需要放大。此外理論上應(yīng)該通過(guò)一級(jí)帶通放大器(20-30MHZ)濾去其他頻段干擾，我們的天線構(gòu)成了LC選頻網(wǎng)絡(luò)。但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要50HZ工頻干擾相比發(fā)送的信號(hào)幅度過(guò)大，功放帶寬0.1MHZ-3000MHZ能夠把50HZ基本濾去，我們這里沒(méi)有合適增益的功放，就用了VCA替代（不是低噪聲，但是實(shí)測(cè)影響不大，主要近距離功率大）

3）帶通濾波器需要用高通加低通來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則很麻煩。盡量不用有源濾波器，會(huì)引入噪聲需要另外濾除。但是有可能衰減太大，可以高通使用有源濾波器控制幅度，后級(jí)無(wú)源低通會(huì)很大程度上濾除噪聲。

4）包絡(luò)檢波直接用肖特基二極管做無(wú)源的就可以，淘寶有源的也行不過(guò)有點(diǎn)貴

5）模擬信號(hào)發(fā)送頻率變化一定程度上會(huì)影響數(shù)字信號(hào)幅度，在程序里寫了自動(dòng)判斷閾值

（3）天線

按照頻率和天線長(zhǎng)度的關(guān)系，25MHZ天線需要3米才能達(dá)到發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。但我們只需要一米的傳輸距離，沒(méi)有必要要求那么高。天線不夠長(zhǎng)影響的主要時(shí)對(duì)不同頻段的增益，理論上只需要將天線后加25MHZ為中心的帶寬濾波器選擇出我們發(fā)射的信號(hào)，之后再放大即可，對(duì)天線本身要求不高。

我們這里使用漆包線繞棍（這里木棍，鐵棍沒(méi)試過(guò)，可自行測(cè)試）纏制，串聯(lián)可調(diào)電容（我們選用PF級(jí)的）組成LC選頻網(wǎng)絡(luò)（相當(dāng)于使用了帶通濾波器）之后接進(jìn)低噪聲放大器即可。具體選頻性能需要連接網(wǎng)絡(luò)分析儀用反射來(lái)觀察。題目并不要求20-30MHZ全部頻段，任選三個(gè)頻點(diǎn)即可。所以天線窄帶到25MHZ左右，選頻在此附近即可。正常來(lái)說(shuō)10-20DB左右。 這樣做很大的好處就是簡(jiǎn)單，但是由于天線使用膠帶固定，偶爾會(huì)有松動(dòng)，導(dǎo)致頻率特性發(fā)送一定變化。

此外網(wǎng)上有人用環(huán)形天線或者定向天線，也可以自行嘗試。

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軟件實(shí)現(xiàn)

程序流程圖

（1）發(fā)射機(jī)程序：主要根據(jù)AD9959的DDS控制程序修改，進(jìn)行了頁(yè)面的優(yōu)化，添加了數(shù)字鍵入和BCD編碼的顯示，最后數(shù)字信號(hào)用IO口高低電平輸出，為了保證數(shù)字信號(hào)發(fā)送頻率穩(wěn)定不受其他程序干擾，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送功能放入高優(yōu)先級(jí)的定時(shí)器中斷中，開(kāi)關(guān)中斷即可開(kāi)啟和關(guān)閉數(shù)字發(fā)送。

???????????????????????????????? 使用DDS控制板 STM32F1? 具體為淘寶康威家的帶OLED的? 接AD9959作為DDS 輸出為DDS的CH1通道（沒(méi)有控制板也可以按照管腳定義用F103的板子接DDS）
?????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 數(shù)字信號(hào)發(fā)射引腳為DATA_OUT? PC8 使用I/O高低電平輸出? 可以改為DAC輸出具體參照正點(diǎn)原子DAC實(shí)驗(yàn)
?????????? ? ?? 功能：開(kāi)機(jī)后默認(rèn)發(fā)生0101循環(huán)? 之后按中間鍵進(jìn)入編輯數(shù)碼頁(yè)面 自動(dòng)關(guān)閉發(fā)送 選好數(shù)字后再按中間按鍵發(fā)送之前編輯的數(shù)碼（數(shù)碼前面會(huì)加上00001111的定位碼 方便接收端檢測(cè)）。 發(fā)送時(shí)藍(lán)燈會(huì)亮且可繼續(xù)其他操作（發(fā)送使用定時(shí)器中斷） 按中間鍵再次循環(huán)到編輯數(shù)碼時(shí)向下按則可以關(guān)閉發(fā)生。發(fā)送頻率為20HZ 具體在代碼開(kāi)始都有宏定義Code_Freq可以更改

軟件頁(yè)面CHO后數(shù)字為載波頻率，DATAOUT為輸出數(shù)字編碼，下方為運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)為二進(jìn)制的編碼顯示。

（2）接收機(jī)程序：整體設(shè)計(jì)思路非常簡(jiǎn)單就是ADC采樣抽判檢測(cè)高低電平，之后進(jìn)行解碼顯示。數(shù)碼顯示使用帶TM1367的數(shù)碼管模塊，通過(guò)IIC通信，管腳只需要四個(gè)，自動(dòng)刷新，控制簡(jiǎn)單。

但是實(shí)際上會(huì)有兩個(gè)問(wèn)題：首先，隨著模擬頻率變化，數(shù)字信號(hào)幅度也會(huì)有一點(diǎn)變化，如果檢測(cè)閾值不變就容易讓抽判結(jié)果錯(cuò)誤。所以這里加入了一個(gè)閾值檢測(cè)和更新的程序，即快速ADC檢測(cè)并計(jì)算出最大和最小的數(shù)據(jù)，剔除偏差較大的，分別求平均值來(lái)獲得新的閾值。其次，ADC采樣中可能遇到波形的毛刺或者不同步，使得結(jié)果錯(cuò)誤。添加每一位解碼結(jié)果小于10的判斷，另外采樣函數(shù)放入高優(yōu)先級(jí)的定時(shí)器中斷中，保證間隔穩(wěn)定。

使用STM32F1迷你版和精英版通用有LCD顯示功能，不用LCD情況下可用其他F103板子替代，數(shù)碼管使用帶TM1637的IIC顯示模塊，操作方便，引腳為VCC-PC4 CLK-PA4 DIO-PC5 可在TM1637.h中修改。如果修改DIO引腳需要同時(shí)修改其下方DIO方向語(yǔ)句，ADC檢測(cè)引腳為PA1，GET_Range()為自動(dòng)檢測(cè)閾值開(kāi)機(jī)只啟動(dòng)一次，需要DDS先啟動(dòng)（默認(rèn)發(fā)射0101循環(huán)以便檢測(cè)閾值）

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實(shí)物展示

發(fā)射機(jī)

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接收機(jī)

前級(jí)分別是VCA821和包絡(luò)檢波（淘寶）。

裝配和采購(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)方便這里使用了大量淘寶成品模塊，下面有具體模塊圖片，沒(méi)必要型號(hào)和店家都一樣，如DDS AGC VCA等只要功能正常滿足基本參數(shù)要求即可。

發(fā)射機(jī)

其中DDS為AD9959（也可更換其他），控制板與其配套，AGC為AD603，乘法器為AD835，淘寶購(gòu)置即可，DC-DC轉(zhuǎn)正負(fù)雙電源為TPS5430+LM317/337模塊（不能只用TP5430的，紋波大）

具體如下

接收機(jī)

包絡(luò)檢波就淘寶二十多的就可以，很多這里的VCA821如圖

比賽心得

1、? 電賽前期準(zhǔn)備非常重要

高頻電路中大部分可以依靠已有的模塊搭建，而主要需要設(shè)計(jì)的是一些濾波器，我們?cè)谇捌跍?zhǔn)備中學(xué)習(xí)和嘗試了filter solution和filter pro的濾波器設(shè)計(jì),并繪制打印了一部分濾波器的PCB，在比賽中使用PCB直接焊接就顯得非常方便，此外也獲得如部分情況使用橢圓濾波器效果阻帶下降效果更好，帶通濾波器使用高通加低通級(jí)聯(lián)頻帶效果好，有源濾波器容易引入噪聲，無(wú)源濾波器衰減很大等經(jīng)驗(yàn)，讓我們?cè)诒荣愔性O(shè)計(jì)濾波器就顯得得心應(yīng)手。

2、? 高頻題方案選擇很重要

高頻題目理論要求很高，涉及信號(hào)與系統(tǒng)，高頻電子線路，通信原理等專業(yè)課程的很多相關(guān)知識(shí)，大部分依靠電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)效果也可能和理論有些許不同。不同的方案選擇實(shí)現(xiàn)難度和效果都相差很大，如果一開(kāi)始沒(méi)有看懂題目，沒(méi)有想清楚實(shí)現(xiàn)過(guò)程，而且相關(guān)模塊自己校內(nèi)很難找到，中途改方案基本是不可能的。

3、? 需要保持良好的心態(tài)，積極與指導(dǎo)老師和隊(duì)友溝通

電賽時(shí)間非常緊張，高頻調(diào)試過(guò)程中往往理論知識(shí)是不夠的，總是會(huì)遇到一些意想不到的問(wèn)題。一個(gè)人的思維難免局限，如果許久難以解決，就需要我們積極和老師同學(xué)溝通，不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，找到問(wèn)題，逐步解決。

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