金偉正， 黃奕博， 羅義軍， 楊光義

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢430072）

0 引 言

設(shè)計(jì)一種基于多乘法器的頻譜線性變換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)輸入一個(gè)8 kHz基帶調(diào)制信號(hào)，利用乘法器對(duì)其進(jìn)行AM調(diào)制，搬運(yùn)至高頻30 MHz頻段；再用乘法器［1-2］對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行上變頻，將其搬運(yùn)至甚高頻140 MHz頻段；最后用混頻器AD831芯片［3］對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行下變頻，將其搬運(yùn)至中高頻10 MHz頻段，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的頻譜線性搬移通信電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能全面理解和掌握頻譜線性變換工作原理及設(shè)計(jì)方法，克服實(shí)驗(yàn)中遇到的困難，找到相應(yīng)的解決方法，加深對(duì)通信電子線路知識(shí)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(yuǎn)距離空地對(duì)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(guò)程中與地面保持通信或者航空器之間進(jìn)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(diǎn)。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(shí)能夠降低載波的頻率，有利于后續(xù)的對(duì)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)等工作的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的一種基于多乘法器頻譜線性變換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)在30、140和10 MHz這3個(gè)頻段的線性頻譜搬移。

1 原理及電路設(shè)計(jì)

基于多乘法器的頻譜線性變換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括AM調(diào)制、載波信號(hào)發(fā)生、高頻放大、上變頻混頻、第1本振信號(hào)發(fā)生、下變頻混頻及第2本振信號(hào)發(fā)生等模塊。載波信號(hào)發(fā)生模塊提供30 MHz信號(hào)，并發(fā)送至AM調(diào)制模塊；第1本振信號(hào)發(fā)生模塊提供110 MHz信號(hào)。并發(fā)送至上變頻混頻模塊；第2本振信號(hào)發(fā)生模塊提供130 MHz信號(hào)。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(guò)調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)的參數(shù)，使載波信號(hào)的某個(gè)或某些參數(shù)依照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。調(diào)制能提高發(fā)射效率；實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道的利用率；調(diào)制能擴(kuò)展信號(hào)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(hào)去控制載波信號(hào)的幅度，使載波信號(hào)的幅度隨著調(diào)制信號(hào)做線性變化的過(guò)程。設(shè)一個(gè)正弦型載波信號(hào)uC(t)＝Acos ωct，調(diào)制信號(hào)為um(t)，則根據(jù)調(diào)制的定義，可將調(diào)幅信號(hào)表示為

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

即可得出已調(diào)信號(hào)s(t)的頻譜為

由式（2）可知，調(diào)幅信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的變化而變化；調(diào)幅信號(hào)的頻譜是基帶信號(hào)頻譜通過(guò)載波信號(hào)在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)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(gè)不同頻率的輸入信號(hào)，得到一個(gè)新的頻率與兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率都有關(guān)的信號(hào)的過(guò)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(hào)uX（t）＝AXcos ωXt，uY（t）＝AYcos ωYt，利用乘法器將兩信號(hào)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(hào)中既包含兩個(gè)輸入信號(hào)的和頻，又包含兩個(gè)輸入信號(hào)的差頻，此即利用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)信號(hào)混頻的原理。

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

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)生與本振信號(hào)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(xì)調(diào)試過(guò)程和重要數(shù)據(jù)的測(cè)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(shí)測(cè)的波形及定性分析。圖6所示為DDS［4-5］載波信號(hào)發(fā)生器，圖7所示為DDS上變頻本振信號(hào)發(fā)生器［6-7］。

圖2 AM調(diào)制電路

圖6 DDS載波信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，本系統(tǒng)采用寬帶乘法器AD835進(jìn)行AM調(diào)制，AD835乘法器電路板如圖8（a）所示，再配合上簡(jiǎn)單的外圍電路，工作帶寬可達(dá)250 MHz，大大提高了對(duì)傳輸信號(hào)頻譜搬運(yùn)的范圍。在芯片引腳1輸入載波信號(hào)，引腳8輸入傳輸信號(hào)，引腳5即輸出所需調(diào)制信號(hào)。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(gè)保險(xiǎn)電阻防止電流過(guò)大。引腳2、引腳4和引腳7接地。同時(shí)，在AM調(diào)制輸出后接入高頻放大電路，如圖3所示，利用運(yùn)算放大器THS4001，其增益帶寬積高達(dá)270 MHz，對(duì)AM調(diào)制輸出的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行放大，便于后級(jí)進(jìn)行混頻。芯片引腳3經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電容輸入已調(diào)信號(hào)，引腳2接入輸出信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋使系統(tǒng)更穩(wěn)定，引腳6經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電容即輸出高頻放大信號(hào)。

圖3 高頻放大電路

圖8 AD835和AD9834的實(shí)物圖

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

圖9 AD835輸出的AM調(diào)制信號(hào)

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(hào)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(jiǎn)單的外圍電路，其工作帶寬高達(dá)500 MHz，完全滿足所需140 MHz頻段的要求，實(shí)現(xiàn)將傳輸信號(hào)的頻譜搬移至140 MHz頻段。芯片引腳1輸入110 MHz本振信號(hào)，引腳8輸入調(diào)幅信號(hào)，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(shí)起到較好的差分合并的效果，使輸出信號(hào)對(duì)稱。引腳6、3分別輸入芯片所需＋5 V電壓，并串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)電阻防止電流過(guò)大。引腳2、7同時(shí)接地。同時(shí)，在信號(hào)輸出端接入一個(gè)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(shí)產(chǎn)生的80 MHz信號(hào)，保留140 MHz混頻信號(hào)。

圖4 上變頻混頻電路

測(cè)試過(guò)程中，將第1次上變頻得到的AM調(diào)制信號(hào)輸入AD834的X1輸入口，將信號(hào)源產(chǎn)生的140 MHz本振信號(hào)輸入AD834的Y1輸入口，令A(yù)D834的X2和Y2輸入口接地，實(shí)現(xiàn)X2＝Y(jié)2＝0，得到的第1次混頻信號(hào)波形如圖10所示。由AD834輸出的混頻信號(hào)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(hào)的規(guī)律變化，且包絡(luò)的頻率約為8 kHz。對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行放大，觀察混頻信號(hào)的載波，如圖10（b）所示，混頻信號(hào)中包含多個(gè)頻率分量。對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行FFT，得到的載波信號(hào)頻譜如圖10（c）所示，載波信號(hào)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(hào)和140 MHz本振信號(hào)的和頻170 MHz與差頻110 MHz處。可見，通過(guò)AD834進(jìn)行140 MHz混頻，成功將調(diào)幅信號(hào)的頻譜線性搬移至140 MHz處，實(shí)現(xiàn)了第1次混頻。

圖10 AD834輸出的第1次混頻信號(hào)

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(dá)500 MHz，實(shí)現(xiàn)將位于140 MHz頻段的傳輸信號(hào)下變頻至10 MHz高中頻頻段，有利于后續(xù)對(duì)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)等的實(shí)現(xiàn)。芯片引腳6經(jīng)過(guò)一個(gè)LC低通濾波電路輸入調(diào)幅信號(hào)，防止輸入信號(hào)頻率過(guò)高超過(guò)芯片工作范圍。引腳10經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電容輸入本振信號(hào)。引腳16經(jīng)過(guò)一個(gè)LC帶通濾波電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，使得輸出信號(hào)波形更穩(wěn)定，得到所需混頻信號(hào)。同時(shí)，在信號(hào)輸出端后接入一個(gè)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(shí)產(chǎn)生的270 MHz信號(hào)，保留10 MHz混頻信號(hào)。

圖5 下變頻混頻電路

圖11 AD834和AD831的實(shí)物圖

AD834乘法器電路板如圖11（a）所示。在測(cè)試過(guò)程中，將AD834輸出的140 MHz混頻信號(hào)接入到混頻器AD831的射頻輸入口，同時(shí)利用信號(hào)源產(chǎn)生的130 MHz本振信號(hào)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(hào)波形如圖12所示。由上述AD831輸入的第2次混頻信號(hào)的包絡(luò)圖12（a）中可見，混頻并沒(méi)有改變調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制類型，輸出信號(hào)依舊是由8 kHz基帶信號(hào)決定的調(diào)幅信號(hào)。對(duì)調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行放大，得到載波信號(hào)波形如圖12（b）所示，AD831已經(jīng)通過(guò)第2次混頻將調(diào)制信號(hào)的載波頻率下變頻至10 MHz。通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行FFT，得到輸出信號(hào)的頻譜圖，如圖12（c）所示，第2次混頻得到的混頻信號(hào)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(hào)170 MHz以及差頻信號(hào)110 MHz的140 MHz混頻信號(hào)與130 MHz本振信號(hào)的差頻，同時(shí)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(hào)

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

2.4 載波信號(hào)發(fā)生模塊和本振信號(hào)發(fā)生模塊

DDS載波信號(hào)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(hào)最高頻率可達(dá)37.5 MHz。利用AD9834即可產(chǎn)生AM調(diào)制所需的30 MHz載波信號(hào)。芯片引腳8輸入芯片工作所需75 MHz時(shí)鐘，引腳19、20即可輸出兩路互補(bǔ)的正弦信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)LC低通濾波電路，使得輸出信號(hào)波形更加穩(wěn)定。同時(shí)將輸出信號(hào)通過(guò)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(hào)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(dá)150 MHz，完全滿足所需信號(hào)頻率的要求，用以提供上變頻混頻所需的110 MHz本振信號(hào)。芯片引腳69輸入芯片工作所需300 MHz時(shí)鐘，引腳52、48即可輸出兩路互補(bǔ)的正弦信號(hào)［17］，同時(shí)經(jīng)過(guò)LC低通濾波，使得輸出信號(hào)波形更加穩(wěn)定。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)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(shí)面廣，體現(xiàn)了很強(qiáng)的綜合性和創(chuàng)新性，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)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(shí)為高頻通信的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試有著重要的幫助，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)芟到y(tǒng)地掌握頻譜的線性變換電路原理。