基于單片機的調(diào)幅信號處理

　　楊?興，蔣美琪（成都理工大學信息科學與技術學院，成都?610059）

　　摘?要：本設計采用IAP15W4K61S4單片機為控制核心，電路由前級低噪聲放大器、AGC模塊、鎖相環(huán)、混頻器、中頻濾波器及放大器、AM解調(diào)電路、基帶放大器等部分組成。前級輸入為10 μV-1 mV的小信號，通過低噪聲放大器進行調(diào)幅處理，處理后的信號與鎖相環(huán)產(chǎn)生的本征信號進行兩次混頻，輸出10.7 MHz的中頻信號。再經(jīng)晶體濾波器和放大器進行濾波和放大，濾波后的信號通過峰值檢測電路進行AM解調(diào)和基帶放大器放大，最終經(jīng)過5 KHz的有源低通濾波優(yōu)化輸出波形。實現(xiàn)輸出1V±0.1V范圍可調(diào)的解調(diào)信號。整個系統(tǒng)穩(wěn)定性強，解調(diào)信號無明顯失真。

　　關鍵詞：IAP15W4K61S4單片機；鎖相環(huán)電路；混頻器電路；中頻濾波器電路；檢波電路

0 引言

　　在無線電路傳輸工程里，通常信號都是通過電磁波的形式進行傳輸。為了取得一個比較好的輻射效果。我們可以通過進行調(diào)制，將基帶信號的頻譜搬移到比較高的載波頻率上，然后就可以通過提高頻率以減少所用天線的尺寸。另外，調(diào)制可以把很多個信號源同時負載在不同的載波上進行傳遞，可以避免發(fā)生紊亂，實現(xiàn)一個載波傳遞一個信號，使信道達到多路復用的效果，提高信道傳遞的穩(wěn)定性，降低風險系數(shù)。調(diào)制同時還能拓寬傳輸信號的帶寬，讓更多的信號可以通過傳輸信號進行傳遞，從而使得載波可以負載更多頻率分段的信息信號。在本設計中采用IAP15W4K61S4單片機控制，用低噪聲放大器將AM信號放大，與本振源混頻 ^[1] ，經(jīng)過中頻濾波器濾出帶有AM調(diào)制波的10.7MHz信號，在用AGC增益控制在一個穩(wěn)定的幅度，通過峰值檢波將帶有AM的調(diào)制信號解調(diào)，通過基帶放大器后再經(jīng)過有源低通濾波優(yōu)化輸出波形。使解調(diào)信號在1V±0.1V范圍內(nèi)可調(diào)且無明顯失真。

　　1 系統(tǒng)整體設計

　　本設計采用IAP15W4K61S4為控制核心，電路分為前級低噪放大、AGC模塊、鎖相環(huán)、混頻器、中頻濾波器及放大器、AM解調(diào)電路、基帶放大器等部分組成。為實現(xiàn)輸出范圍在1V±0.1V內(nèi)的可調(diào)信號解調(diào)后輸出波形無明顯失真。其整體設計通過對輸入的AM小信號經(jīng)過前級低噪聲放大器電路進行放大調(diào)幅處理，再同與單片機相連的鎖相環(huán)產(chǎn)生的本征信號進行兩次混頻，輸出10.7MHz的信號到中頻濾波器經(jīng)過對信號濾波后再放大信號 ^[2] ，信號經(jīng)過可控增益對信號解調(diào)，再通過對信號的放大以及對信號過濾后得到的信號通過示波器輸出。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設計

　　2.1 前級低噪聲放大器電路

　　為了對10μV-1mV信號進行放大以及防止對噪聲放大的飽和，本模塊采用1片ERA-8SM+和ERA-4SM+芯片級聯(lián)，芯片的帶寬是從DC-4GHz,使前級小信號放大至約315倍，由于該芯片在輸入口中有匹配50Ω電阻，因此采用一個0.1μF 電容串聯(lián)，從而在通頻帶內(nèi)滿足50Ω的輸入阻抗要求。供電使用的是DC-5V，從而限流電阻使用的是10Ω，而在直流饋電使用的電感是390uH。前級放大電路如圖2所示。

　　2.2 中頻濾波器電路

　　此系統(tǒng)采用10.7MHz的晶體濾波器作為中頻濾波器，為了在測試過程中防止發(fā)生干擾，中頻頻率選擇滿足以下關系：250+f>300-f。其中250,300MHz,分別指上下限頻率，f為中心頻率。中頻濾波器帶寬大小決定信號的穩(wěn)定度，所以我們選用具有頻率選擇性高和溫度穩(wěn)定性良好，且中心頻率為10.7MHz ^[3] ，通帶寬度為±7.5KHz的晶體濾波器 ^[4] 。其電路圖如圖3所示。

　　2.3 中頻放大器電路

　　此模塊采用兩級級聯(lián)形式的AD603芯片進行中頻信號放大，并在輸入端設置的T型衰減器，使其增益范圍達到-40dB-40dB,并使用OPA690芯片設置增益以驅(qū)動后級電路。

　　2.4 混頻器電路

　　被測信號與鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振信號都會進入本模塊進行混頻，得到一系列頻率成分供后級濾波電路使用。因為我們進行的是下混頻，所以輸入信號在260.7MHz～310.7MHz之間，但是鎖相環(huán)產(chǎn)生的本征信號只能到180MHz，而我們需要輸入的載波頻率為250MHz～300MHz，因此本系統(tǒng)采用的是中頻為10.7MHz的二級混頻。且AD831芯片可以設置輸出增益以彌補后帶通濾波器的損耗，增益設置為10dB（1+R4/R3=3.16）。混頻器電路圖如圖4所示。

　　2.5 基帶放大器電路

　　此模塊采用頻帶寬度適中，高性能低噪聲雙運算放大器NE5532芯片 ^[5] ，增益寬帶為10MHz。在同相輸入端串聯(lián)一個100nf的電容，并聯(lián)一個8.2K的電阻，形成一個高通濾波器，方向輸入端并聯(lián)一個1KΩ的電阻，反饋端接入一個10K的滑動變阻器可實現(xiàn)對放大倍數(shù)的控制。對前級晶體濾波器產(chǎn)生的中頻信號進行放大處理。

　　2.6 可控增益電路

　　以AD603芯片為核心的AGC模塊，其是高增益精度的壓控VGA芯片，可通過級聯(lián)方式增加帶寬和增益。本系統(tǒng)中使用其對混頻后的10.7MHz中頻信號放大，放大倍數(shù)約6倍左右，保證進入檢波電路的電壓達到60mV～70mV。

　　2.7 鎖相環(huán)電路

　　選用ADF4001芯片與MC1648芯片。四個變換電容二極管D1-D4和高頻電感L2為壓控元件，提高輸出信號頻率穩(wěn)定度和壓控線性度。使用磁珠隔離數(shù)字地和模擬地，減少系統(tǒng)之間的相互影響和降低噪聲。在芯片引腳處接10pF和0.1μF電容對電源進行濾波，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　2.8 檢波電路

　　檢波即實現(xiàn)對信號的解調(diào)。該檢波電路設置寬帶范圍為10K，檢波需要60mv以上才能無失真檢出中頻信號。并且我們在每個電源輸出端口均設置10μF與0.1μF的并聯(lián)電容對其進行濾波。前端加入高速比較器opa690做緩沖器,運算放大器TL3016主要起緩沖作用。高速比較器TL3016比較的信號是同相端的待測信號與反向端反饋回來的信號，反饋電路中利用的是二極管和RC充放電進行檢波。這樣便構(gòu)成反饋電路。濾波電路圖如圖5所示。

　　3 系統(tǒng)測試結(jié)果

　　3.1 系統(tǒng)實物圖

　　本系統(tǒng)整體的實物圖如圖6所示。

　　3.2 測試方案

　　先將系統(tǒng)系分開，單獨測試，再級聯(lián)測試。信號源產(chǎn)生10μV～1mV小信號，接入低噪聲放大器，通過示波器對各級電路進行點測，分析各級輸出信號的參數(shù)指標。觀測單片機是否能夠控制鎖相環(huán)，從而調(diào)節(jié)本征信號頻率。改變系統(tǒng)調(diào)制頻率或載波頻率，通過示波器檢測輸出。

　　3.3 測試結(jié)果

　　1)調(diào)節(jié)載波頻率為275MHz，輸入信號幅度在10 μV～1mV。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

　　2)調(diào)節(jié)載波頻率為250-300MHz,輸入信號幅度在10μV-1mV。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

　　測試結(jié)果分析:通過對上述實驗數(shù)據(jù)分析可以看出，本系統(tǒng)可以在在載波頻率為250~300MHz，在10μV ~1mV之間實現(xiàn)信號的調(diào)幅處理，且基本穩(wěn)定1±0.1V左右，波形沒有一個明顯的失真情況存在。波形如圖7所示。

　　4 結(jié)論

　　在輸入信號通過低噪聲放大器后再與單片機控制的鎖相環(huán)進行兩次混頻，再由中頻放大器及過濾器得到的信號通過可控增益放大后進行檢波，最后對輸出信號進行濾波優(yōu)化，所得到的信號無明顯失真。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，改變調(diào)制頻率及載波頻率，除輸入信號為10 μV時 ^[6] ，其它幅度的輸出信號幅度均在1V±0.1V范圍，且晶體濾波器可濾出10.7MHz的中頻信號。

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　?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第05期第55頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）