一種無人機視頻信號的收發(fā)電路設計*

李鑫儒，蘇寒松

(天津大學電子信息工程學院，天津300072)

隨著無人機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，視頻信號收發(fā)電路作為無人機遙感系統(tǒng)中重要組成部分，受到國家越來越高的重視。由于無人機常工作在惡劣環(huán)境下，遙感系統(tǒng)采集的信號很不穩(wěn)定，故將信號轉換為數(shù)字信號，提高了無人機在惡劣環(huán)境下的工作能力［1］。

設計使用無線的數(shù)字視頻圖像傳輸方式。這種方式能夠擺脫線纜的束縛，更好的隱蔽自己，達到偵察的目的。無線傳輸模塊采用FSK(Frequency-Shift Keying頻移鍵控)調制，是用不同頻率的載波來傳送數(shù)字信號，并用數(shù)字基帶信號控制載波信號的頻率。具有抗噪聲性能好、傳輸距離遠、誤碼率低等優(yōu)點。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中，特別是在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時，有著廣泛的應用［2］。傳統(tǒng)用硬件實現(xiàn)FSK的方法集成塊多、連線復雜且體積較大，特別是相干解調需要提取載波，設備比較復雜，成本較高［3］。設計基于CPLD芯片，采用VHDL語言編寫了一種FSK調制解調的方法，并將數(shù)字集成電路CMOS反向器應用于模擬電子電路中，對模擬信號進行處理，直接利用數(shù)字集成門電路的線性特性完成信號的放大，具有較高的電壓放大倍數(shù)與較高的通頻帶，實用性較高。

1 電路設計原理

1.1 FSK調制解調的基本原理

FSK是利用載波信號的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點之間變化［4］。故其表達式為:

式(1)表明，一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。針對FSK信號的特點，本文改進了鍵控法，這種方法是利用數(shù)字信號去控制分頻器來改變輸出載波頻率，產(chǎn)生一種相位連續(xù)的FSK信號，而且電路結構簡單，容易實現(xiàn)［4］。在2FSK信號中，載波頻率隨著二元數(shù)字基帶信號(調制信號)的“1”或“0”而變化，“1”對應于頻率為f1的載波，“0”對應于頻率為f2的載波。2FSK的已調信號的時域表達式為:

2FSK信號的解調原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調，然后進行判決。這里所用的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小。判決規(guī)則與調制規(guī)則對應，調制時若規(guī)定“1”符號對應載波頻率f1，則接收時上支路的樣值較大，應判為“1”，反之則判為“0”［4］。

由于本設計的難點在接收電路，其需要較高的放大倍數(shù)和通頻帶，所以選用了CMOS反向器構成的電路作為接收部分的放大電路。

1.2 CMOS反向器放大原理

CMOS反向器的電壓轉移特性曲線［5］(輸入與輸出電壓之間的關系曲線)見圖1(a)。圖中，AB兩虛線所夾的區(qū)域為反向器的狀態(tài)轉換區(qū)。電壓轉移特性曲線的中點所對應的輸入電壓為轉換電壓，用VT表示，為電源電壓的一半，即VT=VDD/2。在轉換區(qū)中，曲線比較陡直，只要輸入電壓有很小的變化，就可引起輸出電壓很大的變化，所以反向器電路在狀態(tài)轉換區(qū)具有電壓放大作用，這與運算放大器的傳輸特性非常相似，因此可應用CMOS反向器構成反向比例運算電路。集成運算放大電路需要的是雙電源，而COMS反向器不需要使用雙電源，因此由CMOS反向器構成的反向比例運算放大電路比較簡單;并且在電路參數(shù)選擇、PCB板設計等方面強于用晶體三極管或場效應管構成的反向比例運算放大器。

圖1 CMOS反向器電壓轉移特性和反饋偏置電路

與通常的放大電路相似，為了使CMOS反向器構成的反向比例運算放大電路能夠穩(wěn)定可靠的工作，也需要給門電路以靜態(tài)偏置。若將反向器的輸入端偏置在VDD/2處，輸入的動態(tài)范圍為最大。反饋偏置方法的特點是偏置電壓穩(wěn)定可靠，受外界因素影響小，且電路簡單。偏置方法是在反向器的輸入端與輸出端之間接一電阻RF，如圖1(b)所示，即可將反向器電路的靜態(tài)工作點偏置在狀態(tài)轉換區(qū)的中點。偏置原理是:CMOS門電路的輸入阻抗很高，一般在108Ω數(shù)值級以上，而RF遠小于CMOS門電路的輸入阻抗，故RF上的電壓降近似為零，門電路的輸入電壓與輸出電壓相等，即Vi=Vo，這只能是轉換區(qū)的中點。

應當說明，反饋偏置電阻不可過大，否則靜態(tài)工作點受溫度影響較大，可能會偏離線性區(qū)，使放大器輸出電壓產(chǎn)生非線性失真，甚至無法工作。但RF也不能過小過小則會增加門電路負擔。RF—般在幾百kΩ至幾十MΩ之間選擇，本設計所用反饋偏置電阻為3.3 MΩ。

2 基于CMOS反向器的電路設計與實現(xiàn)

2.1 FSK調制解調設計

本文設計的FSK調制解調收發(fā)電路采用了AL TERA公司的EPM570T100C5芯片，系統(tǒng)主時鐘頻率為150 MHz(芯片外部有源晶振)，“0”，“1”數(shù)字信號由程序中發(fā)生器產(chǎn)生。為完成FSK調制和解調的發(fā)送與接收，由CPLD芯片［6］完成的系統(tǒng)整體邏輯功能框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體邏輯功能框圖

本系統(tǒng)中調制是利用兩個獨立的分頻器來改變輸出載波頻率，它們分別由晶振七、八分頻得到，數(shù)字基帶信號控制轉換開關，當基帶信號為“0”，選通載波f1，當基帶信號為“1”時，選通載波f2，從選通開關輸出的信號就是數(shù)字FSK信號。本文設計的FSK調制系統(tǒng)框圖如圖3所示。解調時，對應調制規(guī)則進行判決，在一定的時間內(nèi)檢測時鐘上升沿來確定輸入信號的頻率，本系統(tǒng)中，計數(shù)器為4或5時判基帶信號為“0”，計數(shù)器為6、7、8時判基帶信號為“1”，解調系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖3 FSK調制系統(tǒng)框圖

圖4 FSK解調系統(tǒng)框圖

2.2 放大電路設計

經(jīng)過多次實驗測量發(fā)現(xiàn)，CMOS單反向器的開環(huán)電壓增益只有5倍～10倍，而本文電路的小信號要求電壓增益在幾十倍，必須采用多級門電路構成高增益放大器［7］。理論上，可以將三級反向器串聯(lián)后，仍等效為一個反向器，電路的輸入與輸出端加隔直電容C1和C2。這種放大器的理論電壓增益A=-RF/R1，輸入電阻Ri=R1，與反向運算放大器增益計算類似。

但實際通過畫PCB電路板實驗發(fā)現(xiàn)，由于經(jīng)過三級反向器，這種放大電路的靜態(tài)工作點Q非常難確定，以至于在輸出端基本看不到放大，有時會有突然跳變，但十分不穩(wěn)定。所以將電路稍作改進:選用一個由反向器、偏置電阻、分壓電阻和負載電阻所組成的放大模塊，把每一級放大模塊都調整到靜態(tài)工作點，再將其級聯(lián)到一起。

這里需要說明的是，PSpice軟件中的7 404只能體現(xiàn)其數(shù)字特性，內(nèi)部結構并非真正MOS管，所以此處根據(jù)CMOS反向器的電路結構，用一個P溝道VTP和一個N溝道VTN增強型MOS晶體管按互補方式聯(lián)接成所需反向器。實際電路中所使用的芯片是74LVC04，工作電壓為3.3 V。分壓電阻分別為4.7 MΩ、5.1 MΩ、2.1 MΩ(經(jīng)反復試驗得出的最佳電阻組合)。如圖5所示的三級放大模塊的級聯(lián)，每級都有3倍多的放大，用OrCAD PSpice軟件進行仿真［8］圖6給出了輸入和每級輸出的波形。圖中輸入信號為50 mV(綠色波形)，經(jīng)三級放大后輸出信號(黃色波形)幅度為1 V，放大20倍左右，達到預期目的。

圖5 三級放大模塊的級聯(lián)電路

圖6 使用Pspice仿真出的輸入及各級輸出波形

2.3 系統(tǒng)整體實現(xiàn)

本文所設計的FSK調制解調收發(fā)電路如圖7所示，左上角部分為接收電路，由于本電路要傳輸經(jīng)H.264視頻壓縮算法處理的數(shù)字信號，其傳輸速率最高達400 kbit/s，根據(jù)此速率選頻網(wǎng)絡將中心頻率選在20 MHz左右，帶寬為3 MHz(本電路的晶振為外接的150 MHz晶振，經(jīng)分頻法調制后載波頻率為18.75 MHz和21.4 MHz，要滿足已調信號在接收電路選頻范圍內(nèi));右上部分為5 V到3.3 V的電壓轉換電路，使用芯片AS1117;左下部分為CPLD芯片的連接，實現(xiàn)了FSK的調制解調，管腳19是用程序生成的一段隨機代碼，將其連接到管腳21作為基帶信號databasein，管腳75是調制信號fskout，管腳99是由接收電路傳來的已調信號fskmoduout，管腳20為經(jīng)CPLD解調后的解調信號fskdemoduout，本系統(tǒng)還使用了JTAG接口對可編程邏輯器件的在線編程功能;圖的右下部分為發(fā)射電路，其電感電容是與接收電路相對應的。

圖7 系統(tǒng)整體電路原理圖和PCB圖

無線模塊與進行視頻壓縮的DSP之間的通信采用SPI接口協(xié)議，可以實現(xiàn)與處理器的高速數(shù)據(jù)傳輸。

3 實驗結果分析

整 個 設 計 使 用 VHDL 語 言［9］編 寫，以EPM570T100C5為程序下載的目標芯片，在QuartusⅡ軟件平臺上進行程序編寫后仿真，可得到如圖8所示的波形圖。其中:clk1為150 MHz輸入主時鐘信號，載波f1和f2分別是通過對clk1的7分頻和8分頻得到的，分別為21.4 MHz和18.75 MHz。fskout為 basedatain 基帶信號［10，11］經(jīng)過 FSK 調制后的已調信號，fskdemoduout為fskout經(jīng)過FSK解調器后的解調信號。從圖中可以看出，輸出信號fskdemoduout有延遲，但解調出的波形與基帶信號一致。由于時鐘頻率很高，解調時與原載波相位不一致所造成的誤差可忽略不計。

圖8 系統(tǒng)仿真波形

在硬件測試中，時鐘頻率由出clk1輸入，輸入信號由程序迭代出一個 fthree信號［12］，同時引入fskmoduout作為解調系統(tǒng)的輸入，將fskout設為調制系統(tǒng)的輸出，這樣就可以實現(xiàn)兩塊板子的無線收發(fā)電路。圖9是用20 MHz模擬示波器GOS-622G看到的輸入輸出波形，上面為輸入波下面為輸出波，由圖看出與仿真結果一致。

圖9 測試板的輸入輸出波形

4 結束語

本文設計的基于無人機視頻信號的收發(fā)電路系統(tǒng)，從實驗和測試結果看，用VHDL程序實現(xiàn)的調制解調效果較理想，而且電路結構簡單，大大降低了系統(tǒng)電路的復雜度;接收電路中使用CMOS反向器構成的放大電路級聯(lián)模塊，并加了一級晶體管放大使電路具有一定的驅動能力，同時也提高了電壓增益，實用性較高。

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