|
|
調幅信號處理實驗電路（F題）
西安電子科技大學
傅豐林
2017‐11‐04
一、命題目的
二、方案選擇和論證
三、理論分析與計算
四、電路與程序設計
五、測試結果
6.088.jpg (131.18 KB, 下載次數: 147)
下載附件
2017-12-16 22:04 上傳
一、命題目的
提高通信電路（又稱高頻電子線路、非線性電路 等）工作頻率，2015年200MHz，2017年提高到300MHz以上。盡可能避開通信概念，只要學過通信電
子線路都能做。
一、任務
調幅信號處理實驗電路（F題）
【本科組】
設計并制作一個調幅信號處理實驗電路。其結構
框圖如圖1所示。輸入信號為調幅度50% 的AM信號。 其載波頻率為250MHz~300MHz，幅度有效值Virms為
10µV~1mV，調制頻率為300Hz~ 5kHz。低噪聲放大器的輸入阻抗為50Ω，中頻放大器輸出阻抗
為50Ω，中頻濾波器中心頻率為10.7MHz，基帶放大器 輸出阻抗為600Ω、負載電阻為600Ω，本振信號自制。
6.005.jpg (29.71 KB, 下載次數: 129)
下載附件
2017-12-16 22:00 上傳
圖1 調幅信號處理實驗電路結構框圖
二、要求
1．基本要求
（1）中頻濾波器可以采用晶體濾波器或陶瓷濾波 器，其中頻頻率為10.7MHz；
（2）當輸入AM信號的載波頻率為275MHz，調制 頻率在300Hz ～ 5kHz 范圍內任意設定一個頻率，Virms=1mV時，要求解調輸出信號為Vorms=1V±0.1V的 調制頻率的信號，解調輸出信號無明顯失真；
（3）改變輸入信號載波頻率250MHz~300MHz，步進1MHz，并在調整本振頻率后，可實現AM信號的 解調功能。
2．發揮部分
（1）當輸入AM信號的載波頻率為275MHz，Virms在10µV~1mV之間變動時，通過自動增益控制（AGC）電路（下同），要求輸出信號Vorms穩定在1V±0.1V；
（2）當輸入AM信號的載波頻率為250MHz~300MHz
（本振信號頻率可變），Virms在10µV~1mV之間變動， 調幅度為50%時，要求輸出信號Vorms穩定在1V±0.1V；
（3）在輸出信號Vorms穩定在1V±0.1V的前提下，盡 可能降低輸入AM信號的載波信號電平；
（4）在輸出信號Vorms穩定在1V±0.1V的前提下，盡 可能擴大輸入AM信號的載波信號頻率范圍；
（5）其他。
系統由射頻低噪聲放大器、混頻、本振信號產生、 中頻濾波放大、AM檢波和基帶濾波放大以及自動增益控制等組成。
1.射頻低噪聲放大器 采用高穩定的固定增益LNA芯片，其噪聲系數較低，容易級聯得到高增益放大器，提高系統靈敏度。
選用噪聲系數NF=1.3的射頻小信號放大器TQP3M9008作為前級放大器，其3dB頻率范圍50MHz～4GHz。
2.混頻器 為實現系統高靈敏度一方需要選擇噪聲系數小的前端放大器，同時也需要靈敏度高的混頻器電路。
選用靈敏度較低、噪聲系數較大的乘法器實現混 頻。它具有輸入動態范圍寬、電路調試簡單，帶寬寬的特點。
3.中頻濾波器和中頻放大器 系統使用OPA847（單位增益帶寬為3.9GHz）電壓反饋運放作為中頻放大器，兩級級聯使用，共實現40dB的中頻增益。滿足系統要求。 中頻濾波器采用晶體濾波器。由于本題AM調制信號的基帶頻率最高為5kHz，需要帶寬大于10kHz的濾波器。在10.7MHz頻率上的晶體濾波器可以做到15kHz以上，且Q值非常高，能夠在滿足系統要求的前提下大大提高系統靈敏度。
4.自動增益控制 射頻前段AGC+基帶AGC。通過射頻AGC實現信
號穩定性的粗調，在利用基帶AGC實現輸出信號幅度 的精確控制，既能提高輸入信號的動態范圍，又能提
高輸出信號的穩定性。
5.檢波解、基帶放大器、帶通濾波器的、自動增 益控制等。
系統的框圖如圖1所示。射頻信號源的輸出信號，依次經過第一級LNA、衰減器、第二級LNA、衰減后， 進入混頻器，并與自制的本振信號源進行混頻，混頻后的信號通過10.7MHz的晶體濾波器后，得到10.7MHz的中頻信號。本系統對中頻信號進行2級中頻 放大后，再進行能量檢測和AM檢波。AM檢波后的信號，通過300Hz～5kHz的帶通濾波器、基帶AGC電路 后，在600歐姆負載得到1V±0.1V有效值的基帶信號。
系統采用兩塊微處理器，MCU1完成該射頻AGC功能，它根據有效值檢測電路的輸出，控制射頻前段 的程控衰減器，使中頻放大器輸出信號幅度能穩定在
200mV±1dB內。MCU2完成本振信號產生功能，它根據輸入的指令，產生所需要的射頻信號頻率。
6.024.jpg (64.77 KB, 下載次數: 138)
下載附件
2017-12-16 22:01 上傳
圖1 系統框圖
1.低噪聲放大器的設計 接收機靈敏度計算放大器的噪聲系數NF越低，系統的靈敏度就越高。系統選用噪聲系數NF=1.3的射頻小信號放大器
TQP3M9008作為前級放大器，其3dB頻率范圍50MHz~4GHz。 考慮到發揮部分的要求，設系統最小輸入信號為1μV（對應-107dBm）。經過測試，獲知乘法器的 輸入信號需要 -65dBm，故前級需要42dB以上增益。為此，設計兩級LNA，每集增益為23dB，最大可以提供46dB增益。
2.中頻濾波器和中頻放大器的設計 中頻載波信號頻率為10.7MHz，，根據AM信號
的最高基帶信號頻率為5kHz可得中頻帶寬需要大于10kHz。考慮到中頻濾波的帶外衰減能力和Q值，對 靈敏度的影響很大，我們選擇性能較好的帶寬為
15kHz，中心頻率為10.7MHz的晶體濾波器完成中頻 濾波功能。考慮到晶體濾波器的輸入輸出阻抗為3000歐姆，系統設計了阻抗匹配電路，完成其與后級50歐姆輸 入阻抗的放大器的阻抗匹配。
混頻器提供了8dB增益，加上LNA的46dB 增益，此處可獲得54dB增益。考慮到AM檢波電路的最佳工作 點大于－15dBm，在輸入為1μV（－107dBm）下，還需要中頻提供38dB增益。 系統使用OPA847（單位增益帶寬為3.9GHz）電
壓反饋運放作為中頻放大器，兩級級聯使用，共實現40dB的中頻增益。滿足系統要求。
3.混頻器的設計 混頻器采用AD831實現。經測試，其輸入信號范圍-65dBm~8dBm，最高混頻頻率可達1.5GHz。它在 輸入信號小于0dBm時，失真度較小。通過LNA及射頻前端的程控衰減器，保證了輸入給AD831的信號滿
足要求，同時所設計的本振的輸出幅度設定為－10dBm，保證混頻器工作于最佳狀態。
4.ADF4351本振電路 本振采用ADF4351實現（自動掃頻功能測試：
設定載波頻率，開啟自動掃頻功能）
5.基帶放大器電路設計 按照題目要求基帶信號的頻率范圍為300Hz~5kHz,為得到比較純凈的基帶信號，將其經過音頻運放放大后通過四階帶通濾波器（通頻帶為250Hz~7kHz），帶內信號得到放大的同時，衰減了帶外的雜散頻率干擾，可使得系統的靈敏度進一步提高。同時基帶信號通過由AD603構成的自動增益控 制(AGC)電路最后輸出電壓穩定在1Vrms±0.1V的幅 度范圍內。
6.程控增益設計 考慮到拓展部分，輸入信號變化范圍為1μV（ －107dBm）~1mV（ － 47dBm），動態范圍為60dB。 通過兩級HMC470串聯，可實現最大63dB的衰減，可滿足要求。射頻信號部分的程控增益由單片機，程控衰減 器，功率檢測芯片三者組成閉環控制。程控衰減器插在兩級低噪聲放大器之間。功率檢測芯片檢測中
頻輸出的信號功率值，將其與設定的信號功率閾值 電壓進行比較，若超出閾值，則單片機控制衰減器
衰減信號功率。否則減小衰減器的衰減值，以此達 到對前段高頻部分的程控增益的閉環控制。
1.低噪聲放大電路
采用TQP3M9008實現，增益為23dB。
2.混頻器及中頻濾波電路
混頻器采用AD831實現，濾波器采用10.7MHz晶 體濾波器實現。
3.本振電路
4.中頻放大及有效值檢測電路 系統使用OPA847（單位增益帶寬為3.9GHz）電
壓反饋運放作為中頻放大器，兩級級聯使用，共實現
5.基帶AGC電路
6.基帶帶通濾波器
采用8階有源帶通濾波器，實現300Hz~5kHz帶通 濾波器，濾除帶外信號。
7.系統電源：
由于系統高頻信號鏈路和低頻信號鏈路同時存在， 所以對于電源的要求較高。系統采用高性能低紋波大
功率線性穩壓電源為系統整體供電。系統高放部分為 采用單電源5V供電，中頻及檢波電路采用±5V雙電
源供電。使用電荷泵電路產生－5V電壓源。各模塊電
路并通過LC濾波，接入電源。單片機數字地與前端模 擬地相互隔離。各模塊電路在電源接口處增加鉭電容
和鋁電解電容的去耦回路。
8.程序設計 為更高效地實現系統控制，系統采用兩塊STM32
單片機完成整體控制，各功能如下：
MCU1：負責前級自動增益控制。
MCU2：負責本振源鎖相環輸出頻率及幅度控制。
四、電路與程序設計
6.047.jpg (58.29 KB, 下載次數: 195)
下載附件
2017-12-16 22:05 上傳
6.051.jpg (53.88 KB, 下載次數: 152)
下載附件
2017-12-16 22:05 上傳
6.057.jpg (84.25 KB, 下載次數: 143)
下載附件
2017-12-16 22:05 上傳
6.062.jpg (65.63 KB, 下載次數: 141)
下載附件
2017-12-16 22:05 上傳
6.067.jpg (75.49 KB, 下載次數: 135)
下載附件
2017-12-16 22:05 上傳
測試結果
在保證輸出為1V±0.1V有效值的基帶信號下，最小輸入AM調制信號的幅度為0.7μV，最低頻率為50MHz， 最高頻率為1.3GHz。
結語
|
評分
-
查看全部評分
|
[復制鏈接]
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
