短波段數(shù)模同傳通信系統(tǒng)研究

談天鴻，時悅辰，潘欣裕,2，王 玲，倪蘇平

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué) 蘇州智慧城市研究院，江蘇 蘇州 215009；3.蘇州市江海通訊發(fā)展實業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215009）

0 引 言

短波通信系統(tǒng)是指工作頻率為2～30 MHz的無線電通信系統(tǒng)，它作為唯一不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點樞紐和有源中繼體制約的遠(yuǎn)程通信方式[1]，常被用來傳輸話音信號。傳統(tǒng)短波通信存在通信頻帶窄、信道容量小、噪聲大和晶振溫漂嚴(yán)重頻率變化大等情況。本系統(tǒng)通過DDS芯片AD9959設(shè)計了一款數(shù)字模擬信號混合發(fā)送、同步傳輸?shù)亩滩ㄍㄐ畔到y(tǒng)，在不占用較大帶寬的情況下，實現(xiàn)模擬信號和少量數(shù)字電文的穩(wěn)定連續(xù)傳輸，可以彌補(bǔ)單一模擬信號通信的短板。由于使用DDS芯片，所以頻點穩(wěn)定且可以隨意設(shè)置，以避開一些干擾較大的信道。解調(diào)時采用PLL鎖相環(huán)電路實現(xiàn)載波的跟蹤解調(diào)，準(zhǔn)確解調(diào)出數(shù)字信號。電路整體成本較低、搭建方便，對于實際的短波數(shù)模同傳通信具有參考意義。

1 系統(tǒng)調(diào)制及解調(diào)原理

1.1 2FSK的調(diào)制原理

2FSK調(diào)制是二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制，它是一種利用載波頻率變化傳輸信號的調(diào)制方式[2]，信號可以看作角頻率為ω1和ω2的2個振幅鍵控信號的疊加。設(shè)系統(tǒng)發(fā)送“1”時的信號為e2FSK(t)=A cos (ω1t+φn），發(fā)送“0”時的信號為e2FSK(t)=A cos(ω2t+θn），將2個信號在時域上進(jìn)行疊加得：

式中：g(t)為單個矩形脈沖；脈沖寬度為Ts；an為1或0，為反碼；φn和θn分別是第n個信號碼元（1或0）的初始相位。在二進(jìn)制移頻鍵控中，φn和θn不攜帶信息，通?？闪?φn和 θn為 0，令為s2(t)，組成一個相位連續(xù)的信號，可以進(jìn)一步化簡得：

1.2 AM的調(diào)制原理

AM（Amplitude Modulation, AM）調(diào)制是通過調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，使之隨調(diào)制信號作線性變化的一種調(diào)制方式[3]。我們將基帶語音模擬信號與2FSK的已調(diào)信號進(jìn)行AM調(diào)制，得到式（3）：

式中：A0為直流偏置；m(t)為模擬語音信號；e2FSK(t)即為2FSK信號。

1.3 AM包絡(luò)檢波原理

輸入電壓正向作用于二極管時，電流經(jīng)過電阻R流入地，同時R兩端的電壓又給電容器充電，當(dāng)反向電壓作用于二極管時，電流不能通過，此時已充滿電的電容開始放電，放電的速度和時間常數(shù)（R*C）有關(guān)，當(dāng)R*C遠(yuǎn)大于高頻頻率的倒數(shù)時，就是最短周期，可以濾除高頻分量。

1.4 PLL鎖相環(huán)解調(diào)2FSK信號的原理

信號通過天線接收，LC網(wǎng)絡(luò)選頻放大后，再經(jīng)過混頻、帶通、限幅，由鎖相環(huán)電路進(jìn)行2FSK信號的解調(diào)，解調(diào)后得到近似方波的數(shù)字信號。鎖相環(huán)主要由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成[4]。

輸入鎖相環(huán)鑒相器的一路信號為ui=Umsin[ωit+θi(t)]，壓控振蕩器輸出給鑒相器的反饋信號為uo=Uomcos[ωot+θo(t)]，得到輸出信號為：

1.5 發(fā)送端和接收端數(shù)字信號編解碼原理

發(fā)送4個0～9的數(shù)字，通過BCD碼編碼后組成一幀數(shù)據(jù)。發(fā)送端規(guī)定邏輯“0”為562 μs高電平加562 μs低電平，邏輯“1”為1 687 μs高電平加上562 μs低電平[8]，對鍵入的4個數(shù)字進(jìn)行編碼。發(fā)送時每一幀數(shù)據(jù)由9 ms低電平加4.5 ms高電平組成的引導(dǎo)碼區(qū)分，后接16位數(shù)據(jù)碼和16位反碼并加入停止位，這樣組成的每一幀數(shù)據(jù)固定為67.468 ms，如圖1所示。接收端識別引導(dǎo)碼后，通過反碼校驗機(jī)制還可驗證數(shù)據(jù)傳輸是否正確[9]，確保數(shù)據(jù)傳輸無誤后顯示。

圖1 一幀數(shù)據(jù)的邏輯分析圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件整體框架設(shè)計

本系統(tǒng)發(fā)射端將數(shù)字信息通過STM32F407ZGT6編碼后接入DDS芯片AD9959的2FSK引腳調(diào)制后產(chǎn)生一個f1頻點和一個f1+20 kHz頻點的2FSK信號，與300～3 400 Hz的模擬語音信號通過AD835乘法器進(jìn)行AM調(diào)制，帶通濾波后接OPA847功放電路發(fā)送，供電采用14.8 V/2 200 mA·h的鋰電池組接LM317，線性穩(wěn)壓為±5 V。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)送和接收端的硬件框圖

接收端通過LC選頻網(wǎng)絡(luò)接收信號后放大，通過AD835乘法器進(jìn)行混頻，得到10 MHz頻點附近的已調(diào)信號，進(jìn)行帶通濾波。之后將信號分為兩路，一路通過AD8361包絡(luò)檢波后即可得到模擬語音信號。另一路經(jīng)過限幅整形輸入NE564組成的鎖相環(huán)電路，解調(diào)后接高速比較器得到較為標(biāo)準(zhǔn)的TTL數(shù)字電平，經(jīng)STM32單片機(jī)解碼后即可還原數(shù)字信號，我們在接收端統(tǒng)計各類誤碼的錯誤情況，不斷優(yōu)化，最終獲得誤碼極少的數(shù)字信號。

2.2 AD8361包絡(luò)檢波解調(diào)電路

AD8361是一款均值響應(yīng)功率檢波器，可以應(yīng)用在不超過2.5 GHz的高頻接收機(jī)檢波領(lǐng)域[10]。芯片外圍電路組成非常簡單，只需5 V單電源、電源去耦電容和輸入耦合電容即可完成[11]。輸出信號呈現(xiàn)線性響應(yīng)的直流電壓，轉(zhuǎn)換增益為7.5 V /V rms[12]。通過調(diào)整外部濾波器電容，可以修改平均時間常數(shù)。

圖3中，R2、R3和C7構(gòu)組成的一個T型結(jié)構(gòu)，用于調(diào)整輸入阻抗匹配。芯片兼容的輸入信號范圍高達(dá)2.5 GHz，可以改變這個組合兼容不同頻段的阻抗，此處使用150 Ω的電阻匹配，匹配最高800 MHz的信號。C3是環(huán)路濾波電容，改變電容的大小可以改變輸出紋波的大小和瞬時響應(yīng)，一般進(jìn)行包絡(luò)檢波時該電容的取值相對較小，根據(jù)手冊選取了0.1 μF，這里使用0.27 μF的電容進(jìn)行實測更加穩(wěn)定。IREF和SREF的引腳接法對應(yīng)3種模式，分別為對地參考模式、內(nèi)容參考模式以及電源參考模式，這里直接接地采用對地參考模式。

圖3 AD8361包絡(luò)檢波解調(diào)電路

2.3 NE564鎖相環(huán)解調(diào)電路

NE564鎖相環(huán)解調(diào)電路能夠解調(diào)輸入載波頻率10～90 MHz的高速數(shù)字信號。FSK解調(diào)電路輸入信號的電壓Vi≥100 mV，調(diào)制信號的頻率范圍為10～30 MHz，頻偏為20 kHz。

圖4中，C11為輸入耦合電容，R13、C15構(gòu)成偏置濾波，濾除雜波。R5和R7提供輸入電流I，NE564的13引腳電壓固定為1.3 V，通過調(diào)節(jié)電位器改變環(huán)路增益，使得VCO的鎖定范圍盡可能大，內(nèi)部電阻R與電流I的關(guān)系為：

圖4 NE564鎖相環(huán)解調(diào)電路

3 系統(tǒng)測試及驗證分析

測試時使用的是RIGOL的DS6062示波器，帶寬高達(dá)600 MHz、采樣率高達(dá)5 GSa/s。頻譜儀使用的是RIGOL的DSA875頻譜分析儀，頻率為9 kHz～7.5 GHz，分辨率帶寬為10 Hz～1 MHz。信號發(fā)生器使用的是RIGOL的DG4202高頻信號發(fā)生器，最高輸出頻率為200 MHz。

3.1 模擬信號的調(diào)制與解調(diào)

模擬信號通過AM調(diào)制發(fā)送，已調(diào)信號的外包絡(luò)線即為模擬語音信號，實驗采用500 Hz～10 kHz的單頻正弦波來模擬語音信號，通過25 MHz和25.02 MHz的載波調(diào)制發(fā)送。時域波形包絡(luò)線清晰可見，如圖5所示，頻域可觀察到明顯的波峰如圖6所示，包絡(luò)檢波解調(diào)后無明顯失真，如圖7所示。

圖5 AM時域圖

圖6 AM頻域圖

圖7 AM信號解調(diào)

3.2 數(shù)字信號調(diào)制、解調(diào)及編碼傳輸時的改進(jìn)

數(shù)字信號由單片機(jī)的鍵入值經(jīng)過編碼后輸入AD9959進(jìn)行2FSK調(diào)制，在時域上我們不易觀察到2FSK的現(xiàn)象，因此由頻域抓取25 MHz和25.02 MHz的頻點，可以觀察到明顯峰值，如圖8所示。

圖8 2FSK頻域圖

接收端的數(shù)字信號TTL電平接在邏輯分析儀上可以得到每一幀每一位數(shù)據(jù)碼的傳輸情況，并發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤的原因。通過縮短引導(dǎo)碼長度、增加冗余編碼穩(wěn)定信道、提高脈寬占空比能有效提升數(shù)字信號的傳輸正確率[13]。減少引導(dǎo)碼低電平時間，可以抑制毛刺現(xiàn)象[14]，同時彌補(bǔ)幀與幀之間因信道空閑出現(xiàn)電平波動的情況[15]。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)設(shè)計了一個基于AM和2FSK的簡易數(shù)模短波通信收發(fā)系統(tǒng)，經(jīng)測試可以在2～30 MHz范圍內(nèi)較好地發(fā)送語音和數(shù)字信號，語音信號還原度高無明顯失真，數(shù)字信號傳輸準(zhǔn)確率高。