基于多乘法器的頻譜線性變換實驗

金偉正， 黃奕博， 羅義軍， 楊光義

（武漢大學電子信息學院，武漢430072）

0 引 言

設(shè)計一種基于多乘法器的頻譜線性變換實驗系統(tǒng)。通過輸入一個8 kHz基帶調(diào)制信號，利用乘法器對其進行AM調(diào)制，搬運至高頻30 MHz頻段；再用乘法器［1-2］對已調(diào)信號進行上變頻，將其搬運至甚高頻140 MHz頻段；最后用混頻器AD831芯片［3］對已調(diào)信號進行下變頻，將其搬運至中高頻10 MHz頻段，實現(xiàn)一個完整的頻譜線性搬移通信電子系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。通過實驗，學生能全面理解和掌握頻譜線性變換工作原理及設(shè)計方法，克服實驗中遇到的困難，找到相應(yīng)的解決方法，加深對通信電子線路知識的理解。

30 MHz頻段作為劃分中高頻頻段的上限，以及電離層散射通信（30～60 MHz）、電離層通信（30～144 MHz）等通信方式頻段的下限，廣泛應(yīng)用于遠距離空地對話等領(lǐng)域。此外，140 MHz處于頻段劃分中甚高頻的范圍，廣泛應(yīng)用于航空通信工作之中，是保證航空器在飛行過程中與地面保持通信或者航空器之間進行相互通信的重要工具。10 MHz高中頻具有頻率高，帶寬寬的特點。高中頻便于抑制鏡干擾，帶寬寬便于高速率數(shù)據(jù)或大容量信息傳輸。同時能夠降低載波的頻率，有利于后續(xù)的對調(diào)幅信號的解調(diào)等工作的實現(xiàn)。本文設(shè)計的一種基于多乘法器頻譜線性變換實驗系統(tǒng)，以實現(xiàn)對信號在30、140和10 MHz這3個頻段的線性頻譜搬移。

1 原理及電路設(shè)計

基于多乘法器的頻譜線性變換實驗系統(tǒng)如圖1所示，包括AM調(diào)制、載波信號發(fā)生、高頻放大、上變頻混頻、第1本振信號發(fā)生、下變頻混頻及第2本振信號發(fā)生等模塊。載波信號發(fā)生模塊提供30 MHz信號，并發(fā)送至AM調(diào)制模塊；第1本振信號發(fā)生模塊提供110 MHz信號。并發(fā)送至上變頻混頻模塊；第2本振信號發(fā)生模塊提供130 MHz信號。并發(fā)送至下變頻混頻模塊。

圖1 基于多乘法器的頻譜線性變換系統(tǒng)框圖

載波調(diào)制是通過調(diào)制信號去控制載波信號的參數(shù)，使載波信號的某個或某些參數(shù)依照調(diào)制信號的規(guī)律變化。調(diào)制能提高發(fā)射效率；實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道的利用率；調(diào)制能擴展信號的帶寬，提高通信系統(tǒng)抗干擾的能力。

調(diào)幅，即幅度調(diào)制（AM調(diào)制），是指用調(diào)制信號去控制載波信號的幅度，使載波信號的幅度隨著調(diào)制信號做線性變化的過程。設(shè)一個正弦型載波信號uC(t)＝Acos ωct，調(diào)制信號為um(t)，則根據(jù)調(diào)制的定義，可將調(diào)幅信號表示為

設(shè)調(diào)制信號um(t)的頻譜為Fm(ω)，則根據(jù)式（1）

即可得出已調(diào)信號s(t)的頻譜為

由式（2）可知，調(diào)幅信號的幅度隨基帶信號的變化而變化；調(diào)幅信號的頻譜是基帶信號頻譜通過載波信號在頻域內(nèi)的簡單線性搬移。幅度調(diào)制是一種線性調(diào)制。

混頻，是指混合兩個不同頻率的輸入信號，得到一個新的頻率與兩個輸入信號的頻率都有關(guān)的信號的過程。利用乘法器能夠?qū)崿F(xiàn)混頻，原理是三角函數(shù)的積化和差公式。設(shè)輸入信號uX（t）＝AXcos ωXt，uY（t）＝AYcos ωYt，利用乘法器將兩信號相乘的輸出結(jié)果為uOUT（t）＝KuX（t）uy（t）＝KAXAYcos ωXtcos ωYt＝

由式（3）可知，輸出信號中既包含兩個輸入信號的和頻，又包含兩個輸入信號的差頻，此即利用模擬乘法器實現(xiàn)信號混頻的原理。

將輸入信號進行多次頻譜變換，分別得到30、140及10 MHz的調(diào)幅信號，對于信號的傳播應(yīng)用具有重要意義，也有利于調(diào)幅信號的解調(diào)等工作。

2 實驗內(nèi)容及測試結(jié)果

實驗內(nèi)容主要包括AM調(diào)制與高頻放大、上變頻混頻與下變頻混頻、載波信號發(fā)生與本振信號發(fā)生等電路。由于篇幅的限制，本文僅給出部分核心電路的詳細調(diào)試過程和重要數(shù)據(jù)的測試方法，包括圖2～5所示的AM調(diào)制電路、高頻放大電路、上變頻混頻電路和下變頻混頻電路，給出實測的波形及定性分析。圖6所示為DDS［4-5］載波信號發(fā)生器，圖7所示為DDS上變頻本振信號發(fā)生器［6-7］。

圖2 AM調(diào)制電路

圖6 DDS載波信號發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)

2.1 AM調(diào)制模塊與高頻放大模塊

為解決在高頻及甚高頻頻段對信號進行調(diào)制，本系統(tǒng)采用寬帶乘法器AD835進行AM調(diào)制，AD835乘法器電路板如圖8（a）所示，再配合上簡單的外圍電路，工作帶寬可達250 MHz，大大提高了對傳輸信號頻譜搬運的范圍。在芯片引腳1輸入載波信號，引腳8輸入傳輸信號，引腳5即輸出所需調(diào)制信號。引腳6和引腳3分別輸入芯片所需＋5 V和－5 V電壓，并串聯(lián)一個保險電阻防止電流過大。引腳2、引腳4和引腳7接地。同時，在AM調(diào)制輸出后接入高頻放大電路，如圖3所示，利用運算放大器THS4001，其增益帶寬積高達270 MHz，對AM調(diào)制輸出的調(diào)幅信號進行放大，便于后級進行混頻。芯片引腳3經(jīng)過一個濾波電容輸入已調(diào)信號，引腳2接入輸出信號進行負反饋使系統(tǒng)更穩(wěn)定，引腳6經(jīng)過一個濾波電容即輸出高頻放大信號。

圖3 高頻放大電路

圖8 AD835和AD9834的實物圖

AD9834DDS載波電路板如圖8（b）所示。在實驗過程中，將信號源產(chǎn)生的8 kHz的基帶信號與AD9834［8-9］產(chǎn)生的30MHz載波信號同時接入AD835的兩個輸入端口，得到的輸出波形如圖9（a）所示，輸出信號的載波隨著基帶信號幅度的變化而變化，形成頻率為8 kHz的包絡(luò)，達到了AM調(diào)制的效果。對包絡(luò)放大，可觀察到載波信號，如圖9（b）所示。從輸出調(diào)幅信號的載波圖9（b）中可以看出，調(diào)幅信號的載波中包含多個幅度分量，同時載波頻率為AD9834輸入的30 MHz信號。為對調(diào)幅信號進一步的頻域分析，需要對調(diào)幅信號進行FFT，得到調(diào)幅信號的頻譜，如圖9（c）所示，第1次上變頻輸出的AM調(diào)制信號中頻譜主要集中在中心頻率30 MHz處，不過在高頻處也有少量諧波分量，可見，通過AM調(diào)制成功將基帶信搬移到了30 MHz頻段處，實現(xiàn)了上變頻。

圖9 AD835輸出的AM調(diào)制信號

2.2 上變頻混頻模塊

上變頻混頻電路如圖4所示，考慮到要將傳輸信號頻譜搬移至甚高頻頻段的要求，選用寬帶乘法器AD834［10］，AD834乘法器電路板如圖11（a）所示，配合簡單的外圍電路，其工作帶寬高達500 MHz，完全滿足所需140 MHz頻段的要求，實現(xiàn)將傳輸信號的頻譜搬移至140 MHz頻段。芯片引腳1輸入110 MHz本振信號，引腳8輸入調(diào)幅信號，引腳5、4的差分輸出采用差分巴倫轉(zhuǎn)單端的結(jié)構(gòu)做耦合輸出，這種結(jié)構(gòu)可有效地抑制諧波，同時起到較好的差分合并的效果，使輸出信號對稱。引腳6、3分別輸入芯片所需＋5 V電壓，并串聯(lián)一個保險電阻防止電流過大。引腳2、7同時接地。同時，在信號輸出端接入一個7階巴特沃斯高通濾波器，其截至頻率為130 MHz，在90 MHz處的衰減不小于20 dB，以濾除混頻同時產(chǎn)生的80 MHz信號，保留140 MHz混頻信號。

圖4 上變頻混頻電路

測試過程中，將第1次上變頻得到的AM調(diào)制信號輸入AD834的X1輸入口，將信號源產(chǎn)生的140 MHz本振信號輸入AD834的Y1輸入口，令AD834的X2和Y2輸入口接地，實現(xiàn)X2＝Y(jié)2＝0，得到的第1次混頻信號波形如圖10所示。由AD834輸出的混頻信號的包絡(luò)圖10（a）可見，混頻并未改變調(diào)制的類型，載波幅度仍按調(diào)制信號的規(guī)律變化，且包絡(luò)的頻率約為8 kHz。對包絡(luò)信號進行放大，觀察混頻信號的載波，如圖10（b）所示，混頻信號中包含多個頻率分量。對載波信號進行FFT，得到的載波信號頻譜如圖10（c）所示，載波信號的中心頻率主要集中在140 MHz及其兩側(cè)，即30 MHz調(diào)幅信號和140 MHz本振信號的和頻170 MHz與差頻110 MHz處?？梢?，通過AD834進行140 MHz混頻，成功將調(diào)幅信號的頻譜線性搬移至140 MHz處，實現(xiàn)了第1次混頻。

圖10 AD834輸出的第1次混頻信號

2.3 下變頻混頻模塊

下變頻混頻電路如圖5所示，選用低失真寬帶混頻器芯片AD831，AD831乘法器電路板如圖11（b）所示，在少量外圍電路的配合下，其射頻和本振輸入工作頻率范圍高達500 MHz，實現(xiàn)將位于140 MHz頻段的傳輸信號下變頻至10 MHz高中頻頻段，有利于后續(xù)對調(diào)幅信號的解調(diào)等的實現(xiàn)。芯片引腳6經(jīng)過一個LC低通濾波電路輸入調(diào)幅信號，防止輸入信號頻率過高超過芯片工作范圍。引腳10經(jīng)過一個濾波電容輸入本振信號。引腳16經(jīng)過一個LC帶通濾波電路對輸出信號進行濾波，使得輸出信號波形更穩(wěn)定，得到所需混頻信號。同時，在信號輸出端后接入一個6階巴特沃斯低通濾波器，其截至頻率為20 MHz，在30 MHz處的衰減不小于20 dB，以濾除混頻時產(chǎn)生的270 MHz信號，保留10 MHz混頻信號。

圖5 下變頻混頻電路

圖11 AD834和AD831的實物圖

AD834乘法器電路板如圖11（a）所示。在測試過程中，將AD834輸出的140 MHz混頻信號接入到混頻器AD831的射頻輸入口，同時利用信號源產(chǎn)生的130 MHz本振信號接入到AD831的本振輸入口，得到AD831的中頻輸出口輸出的混頻信號波形如圖12所示。由上述AD831輸入的第2次混頻信號的包絡(luò)圖12（a）中可見，混頻并沒有改變調(diào)幅信號的調(diào)制類型，輸出信號依舊是由8 kHz基帶信號決定的調(diào)幅信號。對調(diào)幅信號的包絡(luò)進行放大，得到載波信號波形如圖12（b）所示，AD831已經(jīng)通過第2次混頻將調(diào)制信號的載波頻率下變頻至10 MHz。通過對輸出信號進行FFT，得到輸出信號的頻譜圖，如圖12（c）所示，第2次混頻得到的混頻信號的頻譜在40 MHz及其以下的較低頻率20 MHZ，10 MHz等處有大量的集中，即包含了和頻信號170 MHz以及差頻信號110 MHz的140 MHz混頻信號與130 MHz本振信號的差頻，同時在其他高頻處也存在一些諧波分量。

圖12 AD831輸出的第2次混頻信號

由此可見，AD831的第2次混頻成功將調(diào)幅信號的頻譜線性搬移至10 MHz附近高中頻頻段，實現(xiàn)了第2次混頻。此時對輸出信號端加入不同的LC諧振回路進行選頻濾波，即可得到所需的頻率信號。

2.4 載波信號發(fā)生模塊和本振信號發(fā)生模塊

DDS載波信號發(fā)生器［11-12］電路選用AD9834，如圖6所示，該芯片功耗低，性能高，在少量外圍電路［13-14］的配合下，輸出信號最高頻率可達37.5 MHz。利用AD9834即可產(chǎn)生AM調(diào)制所需的30 MHz載波信號。芯片引腳8輸入芯片工作所需75 MHz時鐘，引腳19、20即可輸出兩路互補的正弦信號，同時經(jīng)過LC低通濾波電路，使得輸出信號波形更加穩(wěn)定。同時將輸出信號通過引腳17接入芯片內(nèi)置的比較器中，還可從引腳16得到一路方波輸出。

DDS上變頻本振信號發(fā)生器電路［15-16］選用AD9854，如圖7所示，在少量外圍電路的配合下，其最高輸出頻率高達150 MHz，完全滿足所需信號頻率的要求，用以提供上變頻混頻所需的110 MHz本振信號。芯片引腳69輸入芯片工作所需300 MHz時鐘，引腳52、48即可輸出兩路互補的正弦信號［17］，同時經(jīng)過LC低通濾波，使得輸出信號波形更加穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

本文實現(xiàn)了一種基于低功耗DDS和多寬帶乘法器在通信電子線路的頻譜線性搬移應(yīng)用系統(tǒng)，覆蓋知識面廣，體現(xiàn)了很強的綜合性和創(chuàng)新性，豐富了實驗教學內(nèi)容。該實驗系統(tǒng)的不僅研究了這幾種芯片在通信電子線路的應(yīng)用，同時為高頻通信的教學實驗和測試有著重要的幫助，學生通過實驗?zāi)芟到y(tǒng)地掌握頻譜的線性變換電路原理。