【大学生电子竞赛题目分析】——2016年上海市TI杯B题《短波频段数字通信系统设计》

gmchen 发表于 2022-5-10 16:03

<div class='showpostmsg'>一、任务

设计一个短波频段全数字收发通信演示系统，要求通信调制模式采用BPSK调制方式，调制符号率固定，调制载波通过程序设置，范围1MHz～5MHz，在接收方要求去除调制载波，并用示波器观察基带波形。下图给出演示系统设计框图：



 

二、要求

1．基本要求

（1）产生三种数据序列：全1序列、01交替序列、伪随机周期序列（生成式：f(x) = x4+x+1）；

（2）对数据序列进行BPSK调制，调制符号率设置为25K；

（3）调制载波设置为 2.5MHz；

（4）调制信号输出幅度为 5Vpp；

（5）接收模块实现载波同步，恢复基带，并用示波器观察基带波形。

2．发挥部分

（1）发射模块调制载波在1MHz～5MHz范围内以1KHz步进进行设置；

（2）接收模块在频率范围内自动搜索跟踪，实现载波同步，恢复基带，用示波器可观察清晰基带波形；

（3）改变发射模块信号输出幅度 0.1V~5Vpp，接收模块实现正确接收；

（4）人机交互友善，具备参数设置功能、载波频率等状态信息显示功能。

三、说明

（1）基本部分1～4要求在发射模块实现；

（2）收发模块中的载波自行产生，不可用信号源代替；

（3）发射模块和接收模块独立设计，收发模块采用有线连接，不可选用相同参考时钟；

（4）收发各节点信号（如数据序列、基带成型、收发本地载波以及调制解调信号等）提供测试点，能用示波器或频谱仪进行观察，从而进行功能、性能测试。
</div><script> var loginstr = '<div class="locked">查看精华帖全部内容，请<a href="javascript:;" style="color:#e60000" class="loginf">登录</a>或者<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/member.php?mod=register_eeworld.php&action=wechat" style="color:#e60000" target="_blank">注册</a></div>';

if(parseInt(discuz_uid)==0){
(function($){
var postHeight = getTextHeight(400);
$(".showpostmsg").html($(".showpostmsg").html());
$(".showpostmsg").after(loginstr);
$(".showpostmsg").css({height:postHeight,overflow:"hidden"});
})(jQuery);
}
</script><script type="text/javascript">(function(d,c){var a=d.createElement("script"),m=d.getElementsByTagName("script"),eewurl="//counter.eeworld.com.cn/pv/count/";a.src=eewurl+c;m.parentNode.insertBefore(a,m)})(document,523)</script>

gmchen 发表于 2022-5-10 16:05

题目分析与设计

本题目相关模块较多，下面逐一分析之。

1、序列生成器。

按照题目要求生成3种序列，全1序列、01交替序列、伪随机周期序列（生成式：f(x) = x4+x+1）。全1系列实际上是一个不变的逻辑高电平；01交替系列实际上就是时钟信号；伪随机序列发生器的电路如下图。

  BPSK的符号率与移位寄存器的时钟具有相同的速率，按照题目的要求为25kHz。

gmchen 发表于 2022-5-10 16:06

gmchen 发表于 2022-5-10 16:07

gmchen 发表于 2022-5-10 16:08

本帖最后由 gmchen 于 2022-5-10 16:20 编辑

4、BPSK调制器与信号滤波放大。

BPSK已调波的表达式为

  其中Vcsin(ωct)是载波，a(t)是双极性基带信号。对于矩形波，a(t) = +1或-1。对于经过预调制滤波器后的基带信号，用交流（电容）耦合将其中的直流分量滤除，就是双极性基带信号a(t)。将双极性基带信号a(t)与载波相乘就可以得到BPSK已调波。

下面分析具体电路。

从原理上说，任何具有乘法功能的器件都可以作为BPSK调制器，例如实验室常见的调制解调芯片MC1496或乘法器芯片AD835，甚至一个二极管或三极管也可以作为调制器使用。但是在实际电路中必须考虑更多的问题，例如前后级的电平匹配问题、电源兼容问题、设计与制作的难易程度、元器件是否容易获得等等。前述的各个乘法器件中，显然二极管或三极管的设计是比较繁的（也许电路很简单，但是性能参数计算较繁，失真也很难控制）。比较另外两个集成电路后可发现，尽管MC1496可以达到调制要求，但是其电源与系统中其他芯片比较难以统一，外围器件也比较多，设计中需要考虑的地方也比较多。而AD835就比较简单，其电源为±5V（与系统中的运放兼容），增益固定，外围器件几乎没有，所以是本设计的首选。

选用AD835需要注意的一个问题是：其输入差模电压范围为±1V、共模电压范围为-2.5V~+3V。本级的两个输入信号中，一个是基带信号，另一个是频率合成器输出的载波信号，它们都是数字电路信号，峰峰值均接近5V（假定基带信号后续的低通滤波器的直流增益为1），超出了AD835的允许输入电压范围，为此需在输入端用电阻分压。

下图是基于AD835的调制器电路。其后的放大器是为了满足题目的要求：发射模块的输出电压为0.1Vpp~5Vpp。由于载波频率在1MHz～5MHz范围内变化，所以这是一个高频宽带放大器，选用高速运放（例如AD8047或OPA695）可以满足要求，具体的放大倍数要根据调制器的输出幅度确定。

gmchen 发表于 2022-5-10 16:09

gmchen 发表于 2022-5-10 16:13

AGC电路设计中最困难的部分是如何获得准确的AGC控制电压。上图电路中是采用两个晶体管与电容C构成AGC控制电压产生电路的，其工作原理如下：

AD603的控制电压是1脚电位与2脚电位之差，它在-0.5V~+0.5V之间变化时，增益由最小值变化到最大值，即控制电压的变动范围是1V。2脚电位倍电阻分压固定在1V，1脚电位是电容C上的电压，所以电容C上的控制电压范围为0.5V~1.5V。

晶体管Q1构成一个恒流源对电容C充电，如果没有Q2，那么电容C上的电压最终会达到+2V以上。当放大器输出的负电压峰值低于-0.7V（Q2的发射结压降）时，Q2将导通，电容C通过Q2放电，电压将下降。当流过Q2的放电电流与流过Q1的充电电流平衡时，电容C上面的电压决定了放大器的增益。由于Q1的充电电流恒定，所以达到平衡后的放电电流也基本不变，即放大器的输出电压基本不变，达到AGC的目的。

要计算输出电压，就要计算达到平衡状态下的电容充电电流与放电电流。对于上图的电路，流过Q1的充电电流

  其中2是电源+5V与Q1基极之间的压差，0.7是晶体管发射结的压降。

但是流过Q2的放电电流是一个幅度周期变化的脉冲波形，不容易精确计算。设输出电压峰值为Vp，一个近似的结果是

其中  

令上面两个电流相等，可以得到输出电压的峰值Vp。然而这是一个超越方程，无法求解，只能用数值方法得到近似解。在调试中可以通过改变R2与R1的比例来调整输出电压，R2/R1越大输出电压越高。不过考虑到此放大器后级是乘法器，而乘法器的允许最大输入电压不会很高（例如AD835的最大输入差模电压为±1V），所以不宜将输出电压调得太高。

R1、R2的阻值按照下列原则确定：AD603的极限输出驱动能力为50mA，但设计的输出电流应该比这个数值小很多，所以R2的值大致上应该在几百欧到1千欧之间。R1应该与此同数量级。

流过电容C的电流是波动的，波动周期是输入基带信号的周期，波动量可以按前面计算的充电电流I1的一半计算。此电流波动将引起AGC控制电压的波动，进一步引起增益波动。控制电压波动量为

   其中T是输入基带信号的周期，即1/50kHz。增益波动量为<img id="_x0000_i1025" o:ole="" src="file:///C:/Users/gmchen/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.wmz" style="width:51pt; height:16pt" /> ，其中k是AD603的增益控制系数，约为40dB/V。所以只要确定一个允许的增益波动程度，例如1dB，就可以上述关系倒推出C的大小。

gmchen 发表于 2022-5-10 16:17

讨论

本题是一个非常典型的数字通信系统。若在发射模块中加入上变频电路将载波提高到发射频率，通过射频功率放大后送天线发射；在接收模块中加入射频前置放大、下变频、中放，以及在基带输出后面加上位同步电路和判决输出等，基本上就是一个完整的无线数字通信系统。

hunterswift 发表于 2022-5-12 19:05

看着是非常棒哒！

tonyhy1976 发表于 2022-6-23 11:52

竞赛的题目还是有一定的深度，多学习学习。

zhaoyuyan 发表于 2022-12-28 23:03

mwangwdwa 发表于 2024-7-2 14:24

知识永远不过时，加油！！！！！！！！！！！！！！！

页: [1]

电子工程世界-论坛's Archiver

【大学生电子竞赛题目分析】——2016年上海市TI杯B题 《短波频段数字通信系统设计》

【大学生电子竞赛题目分析】——2016年上海市TI杯B题《短波频段数字通信系统设计》