短波段數模同傳通信系統研究

談天鴻，時悅辰，潘欣裕,2，王 玲，倪蘇平

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

0 引 言

短波通信系統是指工作頻率為2～30 MHz的無線電通信系統，它作為唯一不受網絡節點樞紐和有源中繼體制約的遠程通信方式[1]，常被用來傳輸話音信號。傳統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重頻率變化大等情況。本系統通過DDS芯片AD9959設計了一款數字模擬信號混合發送、同步傳輸的短波通信系統，在不占用較大帶寬的情況下，實現模擬信號和少量數字電文的穩定連續傳輸，可以彌補單一模擬信號通信的短板。由于使用DDS芯片，所以頻點穩定且可以隨意設置，以避開一些干擾較大的信道。解調時采用PLL鎖相環電路實現載波的跟蹤解調，準確解調出數字信號。電路整體成本較低、搭建方便，對于實際的短波數模同傳通信具有參考意義。

1 系統調制及解調原理

1.1 2FSK的調制原理

2FSK調制是二進制頻移鍵控調制，它是一種利用載波頻率變化傳輸信號的調制方式[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。設系統發送“1”時的信號為e2FSK(t)=A cos (ω1t+φn），發送“0”時的信號為e2FSK(t)=A cos(ω2t+θn），將2個信號在時域上進行疊加得：

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。在二進制移頻鍵控中，φn和θn不攜帶信息，通常可令 φn和 θn為 0，令為s2(t)，組成一個相位連續的信號，可以進一步化簡得：

1.2 AM的調制原理

AM（Amplitude Modulation, AM）調制是通過調制信號去控制高頻載波的振幅，使之隨調制信號作線性變化的一種調制方式[3]。我們將基帶語音模擬信號與2FSK的已調信號進行AM調制，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包絡檢波原理

輸入電壓正向作用于二極管時，電流經過電阻R流入地，同時R兩端的電壓又給電容器充電，當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（R*C）有關，當R*C遠大于高頻頻率的倒數時，就是最短周期，可以濾除高頻分量。

1.4 PLL鎖相環解調2FSK信號的原理

信號通過天線接收，LC網絡選頻放大后，再經過混頻、帶通、限幅，由鎖相環電路進行2FSK信號的解調，解調后得到近似方波的數字信號。鎖相環主要由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器構成[4]。

輸入鎖相環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 發送端和接收端數字信號編解碼原理

發送4個0～9的數字，通過BCD碼編碼后組成一幀數據。發送端規定邏輯“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個數字進行編碼。發送時每一幀數據由9 ms低電平加4.5 ms高電平組成的引導碼區分，后接16位數據碼和16位反碼并加入停止位，這樣組成的每一幀數據固定為67.468 ms，如圖1所示。接收端識別引導碼后，通過反碼校驗機制還可驗證數據傳輸是否正確[9]，確保數據傳輸無誤后顯示。

圖1 一幀數據的邏輯分析圖

2 系統硬件設計

2.1 硬件整體框架設計

本系統發射端將數字信息通過STM32F407ZGT6編碼后接入DDS芯片AD9959的2FSK引腳調制后產生一個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乘法器進行AM調制，帶通濾波后接OPA847功放電路發送，供電采用14.8 V/2 200 mA·h的鋰電池組接LM317，線性穩壓為±5 V。系統框圖如圖2所示。

圖2 發送和接收端的硬件框圖

接收端通過LC選頻網絡接收信號后放大，通過AD835乘法器進行混頻，得到10 MHz頻點附近的已調信號，進行帶通濾波。之后將信號分為兩路，一路通過AD8361包絡檢波后即可得到模擬語音信號。另一路經過限幅整形輸入NE564組成的鎖相環電路，解調后接高速比較器得到較為標準的TTL數字電平，經STM32單片機解碼后即可還原數字信號，我們在接收端統計各類誤碼的錯誤情況，不斷優化，最終獲得誤碼極少的數字信號。

2.2 AD8361包絡檢波解調電路

AD8361是一款均值響應功率檢波器，可以應用在不超過2.5 GHz的高頻接收機檢波領域[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]。輸出信號呈現線性響應的直流電壓，轉換增益為7.5 V /V rms[12]。通過調整外部濾波器電容，可以修改平均時間常數。

圖3中，R2、R3和C7構組成的一個T型結構，用于調整輸入阻抗匹配。芯片兼容的輸入信號范圍高達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，一般進行包絡檢波時該電容的取值相對較小，根據手冊選取了0.1 μF，這里使用0.27 μF的電容進行實測更加穩定。IREF和SREF的引腳接法對應3種模式，分別為對地參考模式、內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包絡檢波解調電路

2.3 NE564鎖相環解調電路

NE564鎖相環解調電路能夠解調輸入載波頻率10～90 MHz的高速數字信號。FSK解調電路輸入信號的電壓Vi≥100 mV，調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，通過調節電位器改變環路增益，使得VCO的鎖定范圍盡可能大，內部電阻R與電流I的關系為：

圖4 NE564鎖相環解調電路

3 系統測試及驗證分析

測試時使用的是RIGOL的DS6062示波器，帶寬高達600 MHz、采樣率高達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。信號發生器使用的是RIGOL的DG4202高頻信號發生器，最高輸出頻率為200 MHz。

3.1 模擬信號的調制與解調

模擬信號通過AM調制發送，已調信號的外包絡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的載波調制發送。時域波形包絡線清晰可見，如圖5所示，頻域可觀察到明顯的波峰如圖6所示，包絡檢波解調后無明顯失真，如圖7所示。

圖5 AM時域圖

圖6 AM頻域圖

圖7 AM信號解調

3.2 數字信號調制、解調及編碼傳輸時的改進

數字信號由單片機的鍵入值經過編碼后輸入AD9959進行2FSK調制，在時域上我們不易觀察到2FSK的現象，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據碼的傳輸情況，并發現傳輸錯誤的原因。通過縮短引導碼長度、增加冗余編碼穩定信道、提高脈寬占空比能有效提升數字信號的傳輸正確率[13]。減少引導碼低電平時間，可以抑制毛刺現象[14]，同時彌補幀與幀之間因信道空閑出現電平波動的情況[15]。

4 結 語

本系統設計了一個基于AM和2FSK的簡易數模短波通信收發系統，經測試可以在2～30 MHz范圍內較好地發送語音和數字信號，語音信號還原度高無明顯失真，數字信號傳輸準確率高。