水下通信中單邊帶調(diào)制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮士民，王永斌，劉 峰

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.海軍七〇二廠，上海 200434)

0 引言

在設(shè)計(jì)水下電流場(chǎng)通信系統(tǒng)時(shí)，為提高有效發(fā)射功率，調(diào)制方式通常采用單邊帶調(diào)制;為了增加通信系統(tǒng)的通信距離，工作頻率一般選在音頻范圍［1］。當(dāng)所需的載波頻率很低(一般為8～10 kHz)，與調(diào)制的話(huà)音信號(hào)(頻率為300～3 400 Hz)相差很近時(shí)，若采用常規(guī)的濾波法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，邊帶濾波器的制作是比較復(fù)雜的［2］。采用移相法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在音頻范圍內(nèi)的載波調(diào)制話(huà)音信號(hào)的單邊帶調(diào)制，避免了要求嚴(yán)格的邊帶濾波器的制作，使水下通信系統(tǒng)用比較簡(jiǎn)單的電路即可實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的電路的邊帶抑制比可達(dá)到34 dB，滿(mǎn)足水下通信系統(tǒng)電路的要求。

1 移相法單邊帶調(diào)制

1.1 移相法單邊帶調(diào)制電路

移相法的實(shí)質(zhì)是利用2套相乘器獲得2個(gè)雙邊帶信號(hào)，使其中1個(gè)邊帶恰好反相，另1個(gè)邊帶恰好同相。這樣，在相加器內(nèi)相加后，1個(gè)邊帶因相位相反而抵消，另1個(gè)邊帶因相位相同而相加。因此，在理想情況下，相加器的輸出端就只剩下1個(gè)邊帶了。其原理框圖如圖1所示［3］。

相乘器1的輸入為調(diào)制信號(hào)UΩ(t)cosθΩ(t)和載波 Uc(t)cosωct;相乘器 2的輸入為調(diào)制信號(hào)UΩ(t)cos［θΩ(t)+ π/2］和 載 波 Uc(t)cos(ωct+π/2)，2個(gè)相乘器相應(yīng)的輸出信號(hào)為:

式中:

將u1和u2送入相加器，可得到下邊帶信號(hào):

圖1 移相法單邊帶調(diào)制原理框圖Fig.1 Block diagram of the SSB modulation using phase-shift methord

1.2 移相法單邊帶調(diào)制誤差

從以上原理分析可知，要把無(wú)用邊帶全部抑制，必須滿(mǎn)足2個(gè)條件:

1)2個(gè)相乘器輸出電壓的振幅應(yīng)完全相同;

2)移相網(wǎng)絡(luò)應(yīng)保證精確的π/2相移，其中用于調(diào)制信號(hào)的寬帶移相網(wǎng)絡(luò)，在調(diào)制信號(hào)的頻帶內(nèi)，每一頻率分量都應(yīng)精確地移相π/2。

顯然，在實(shí)際電路中以上條件是比較難實(shí)現(xiàn)的。若通過(guò)調(diào)整，使2個(gè)相乘器輸出電壓振幅完全相等，載波信號(hào)的相移精確地調(diào)整在π/2。此時(shí)，對(duì)于無(wú)用邊帶的抑制完全取決于調(diào)制信號(hào)通過(guò)寬帶移相網(wǎng)絡(luò)時(shí)所產(chǎn)生的相移誤差δ，邊帶抑制比

由式(5)得出的NS～δ曲線如圖2所示。

實(shí)際電路中可以使相移誤差在1°以?xún)?nèi)，根據(jù)NS－δ曲線可以看到，對(duì)無(wú)用邊帶的抑制約41 dB，在進(jìn)行水下通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，采用原型單邊帶調(diào)制，30 dB的邊帶抑制比即可滿(mǎn)足要求。

2 移相電路設(shè)計(jì)

2.1 載頻移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖2 邊帶抑制比和相移誤差曲線Fig.2 Graph of the sideband suppression ratio and phase-shift error

由上述原理以及電路組成可知，通過(guò)載頻移相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生相差90°的載波信號(hào)。簡(jiǎn)單的RC電路可以進(jìn)行移相，但是由其幅頻特性可知，RC移相電路的輸出信號(hào)的幅度會(huì)隨著相移不同而改變。所以使用由運(yùn)放組成的一階全通網(wǎng)絡(luò)［4］，其相位連續(xù)可調(diào)而幅度恒定，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 載頻移相網(wǎng)絡(luò)電路原理圖Fig.3 Carrier phase-shift network circuit schema

移 相 的 度 數(shù) φ1= 2arctan(2πfC1R1)，φ2=2arctan(2πfC2R2)。為保持電路的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)載波要分別移相45°和135°，相位差仍保持90°。當(dāng)載波頻率為 10 kHz時(shí)，R1=9 694.725 Ω，C1=680 pF，R2=8 175.191 Ω，C2=4 700 pF，Rf=Ri=2 kΩ。Rf/Ri=1保證了相位連續(xù)可調(diào)的過(guò)程中幅度保持恒定，Vo1=Vo2≈Vi。所有運(yùn)放用單電源供電，電壓Vcc=12 V。在Multisim 10中仿真結(jié)果如圖4所示。

2.2 低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

寬帶移相網(wǎng)絡(luò)是將2個(gè)兩端對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸入端并接到信號(hào)源，信號(hào)則分2路傳輸?shù)竭@2個(gè)兩端對(duì)網(wǎng)絡(luò)的輸出端，而2個(gè)輸出端輸出電壓的相位差對(duì)于一定帶寬的各頻率都是某一個(gè)數(shù)值［5－6］。若要對(duì)話(huà)音信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，則需要設(shè)計(jì)在300～3 400 Hz頻段內(nèi)，移相90°的定相差網(wǎng)絡(luò)。

圖4 f=10 kHz的載波信號(hào)移相90°電路仿真Fig.4 Simulation of the circuit when the phase of the carrier(f=10 kHz)is shifted 90°

低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)采用有源一階全通網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)形式，由已給的工作頻率上限3 400 Hz，下限300 Hz，根據(jù)橢圓函數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法用Matlab編程進(jìn)行計(jì)算(程序流程如圖5所示)，當(dāng)相移誤差δ≤1°時(shí)，所需的總階數(shù)N=6。電路原理圖如圖6所示。

圖5 計(jì)算寬帶移相網(wǎng)絡(luò)參數(shù)程序流程圖Fig.5 Block diagram for calculating parameters of the wide band phase-shift network

圖6 中:R1=22.286 kΩ，C1=680 pF，R2=23.592 kΩ，C2=2 200 pF，R3=23.663 kΩ，C3=4 700 pF，R4=22.329 kΩ，C4=10 nF，R5=21.748 kΩ，C5=22 nF，R6=24.098 kΩ，C6=68 nF，Rf=Ri=2 kΩ。Rf/Ri=1保證相位連續(xù)可調(diào)的過(guò)程中幅度保持恒定，Vo1=Vo2≈Vi。因?yàn)镽1C1～R6C6的取值是常數(shù)，所以選擇C1～C6的取值盡量使電阻取值接近同一阻值，這有利于電路的制作與調(diào)試。

圖6 低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)電路原理圖Fig.6 Low frequency wide band phase-shift network circuit schema

在低頻段范圍內(nèi)，上述寬帶移相網(wǎng)絡(luò)的移相度數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)移相度數(shù)曲線Fig.7 Phase-shift degree graph of the low frequency wide band phase-shift network

可以看出，用6階的寬帶移相網(wǎng)絡(luò)可以使音頻信號(hào)(f=300～3 400 Hz)的理論移相度數(shù)與90°的誤差δ≤0.5°

3 電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

相乘器選用模擬乘法器MC1496，當(dāng)載波頻率為10 kHz，調(diào)制信號(hào)為單音信號(hào)且頻率為2 kHz時(shí)，相乘器1與相乘器2的輸出信號(hào)在Multisim 10中仿真結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的電路，輸入信號(hào)加等幅雙音信號(hào)，當(dāng)載波頻率為10 kHz，等幅雙音信號(hào)頻率f1=2 kHz，f2=3 kHz時(shí)，單邊帶調(diào)制電路的輸出信號(hào)仿真結(jié)果如圖9所示。

載頻移相網(wǎng)絡(luò)和低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)選用集成運(yùn)放芯片LM324。在調(diào)試載頻移相網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先確定其中一路的移相度數(shù)(約45°即可)，然后重點(diǎn)調(diào)整另一路的電阻值，使其移相度數(shù)與前一路相位差為90°;調(diào)試低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以根據(jù)理論計(jì)算的RiCi值確定出第i階在頻率fi上將移相90°，然后固定電容值不變，單獨(dú)調(diào)整每一階移相電路的電阻值，使其在頻率fi上移相90°。低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)信號(hào)頻率f與移相度數(shù)φ的理論值與實(shí)測(cè)值如表1所示。

在低頻段范圍內(nèi)，上述寬帶移相網(wǎng)絡(luò)的移相度數(shù)與頻率關(guān)系的實(shí)測(cè)曲線如圖10所示。

由于電路和元件自身的誤差導(dǎo)致的不對(duì)稱(chēng)性，最后得到的邊帶抑制比與設(shè)計(jì)的理論值存在誤差。通過(guò)頻譜分析儀觀測(cè)單邊帶調(diào)制信號(hào)的邊帶抑制比為34 dB，而34 dB的邊帶抑制比已經(jīng)滿(mǎn)足水下通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在載波頻率很低的水下通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用移相法單邊帶調(diào)制技術(shù)可以避免復(fù)雜的邊帶濾波器的制作，所得到信號(hào)的邊帶抑制比滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本文主要分析在低載頻段，采用移相法進(jìn)行單邊帶調(diào)制的電路設(shè)計(jì)，包括載頻移相網(wǎng)絡(luò)、低頻寬帶移相網(wǎng)絡(luò)和相乘器電路，用Multisim 10進(jìn)行仿真，并對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)試，得到電路性能參數(shù)，為低載頻段采用移相法單邊帶調(diào)制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

［1］汪丹丹，王永斌，陳斌.設(shè)計(jì)水下電流場(chǎng)通信系統(tǒng)需注意的幾個(gè)問(wèn)題［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(2):56 －59.WANGDan-dan，WANG Yong-bin，CHEN Bin.The attentive problems in designing underwater electric current communication system［J］.Ship Science and Technology，2010，32(2):56 －59.

［2］TAKANO K，HANZAWA N.Experimental demonstration of optically phase-shifted SSB modulation with fiber-based optical hilbert transformers［A］.OSA，2007，JTHA48.

［3］沈琪琪，王又春，等.單邊帶原理和電路［M］.北京:中國(guó)人民解放軍總參謀部通信部，1979.119－122.SHEN Qi－ qi，WANG You-chun，et al.SSB Theory and Circuits.［M］.Beijing:Communication office of General Staff of PLA，1979.119 －122.

［4］鄒萬(wàn)全.等幅移相器［J］.內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22(2):32－33.ZOU Wan-quan.Equal phase moudulation instrument［J］.Journal of Neijiang Teachers College，2007，22(2):32 －33.

［5］陳叔遠(yuǎn)，顏紹書(shū).相移均衡器［M］.北京:人民郵電出版社，1984.142 －146.CHEN Shu-yuan，YAN Shao-shu.Phase Shift Equalizer［M］.Beijing:Posts and Telecom Press，1984.142 －146.

［6］陳叔遠(yuǎn).單邊帶用寬帶移相器綜合［J］.通信學(xué)報(bào)，1985，6(3):44 － 47.CHEN Shu-yuan.On the synthesis of wide-band phase splitting networks for single-side － band system［J］.Journal of China Instrument of Communications，1985，6(3):44 －47.