调幅信号处理实验电路论文_ 杜润泽

摘要:本系统以STM32F407ZGT6单片机为控制核心,串行控制集成PLL(ADF4351)生成频率和步进可控的本振信号,用AD831混频器把通过低噪声放大器放大的AM信号源混频,产生一个10.7MHz的中频信号,通过中频滤波器和中频放大器整理信号,再用包络检波电路解调,经过基带放大器得到解调信号。本系统实现了250MHz到300MHz载波带宽,幅度有效值10uV-1mV,调制频率为300Hz-5KHz。

关键词:载波,AM解调,本振信号,中频信号

一:设计要求:

(一)基本要求

设计并制作一个调幅信号处理实验电路。输入信号为调幅度50% 的AM信号。其载波频率为250MHz~300MHz,幅度有效值Virms为10uV~1mV,调制频率为300Hz~5Khz。

低噪声放大器的输入阻抗为50欧,中频放大器输出阻抗为50欧,中频滤波器中心频率为10.7MHz,基带放大器输出阻抗为600欧,负载电阻为600欧,本振信号自制。

二:方案论证与比较

(一)方案比较与选择

1.本振信号方案选择

方案一:采用LMX2531锁相环。LMX2531是芯片级的锁相环,因采用小数分频模式,鉴相频率较高,相对整数分频的器件带内相噪较好,弥补了内部集成VCO性能一般的劣势,同时因环路滤波器环路带宽相对较宽,对参考信号的信号质量更敏感。

方案二:采用ADF4351锁相环。ADF4351采用的是三态鉴频鉴相器,鉴相线性范围-2π-2π,捕获范围大,电路结构简单,锁定时间短,但对噪声敏感不适合用于从数据中恢复时钟的高噪声应用场合。

方案三:采用DDS芯片AD9959合成数字频率。AD9959的最大采样频率可达500MSPS,有良好的通道间隔离(>65dB),每个通道具有32bit的频率分辨率、15bit的相位分辨率以及10bit的幅度分辨率。

考虑本题需要本振信号自动追踪,ADF4351的锁定时间相比较短,故选用方

案二。

2. 混频器方案选择

方案一:采用AD831集成混频器。AD831采用双差分模拟乘法器混频电路,本振和射频输入频率可达到500MHz,中频输出方式有两种差分电流输出和单端电压输出,本题采用单端电压输出时,输出频率大于200MHz。

方案二:采用BF998双栅mos管混频器。BF998价格便宜,容易获得,且不易损坏,但适合用在中波段,在低频噪声较大,硬件电路略显繁琐。

考虑到AD831有集成模块,性能和制作难易度都比BF998好,故选用方案一。

3. 检波电路方案选择

方案一:大信号峰值包络检波器。选用大信号峰值包络检波器,输入信号电压幅值一般在500mV以上,电路简单、效率高,但无法对小信号检波。它只能用于普通调幅的检波,对于单边带调幅这类就无法检波。

方案二:小信号平方律检波器。输入信号电压幅值在几十毫伏或更小,输入阻抗低,非线性失真严重,对要求检波质量高的设备,应避免工作在小信号检波状态。

考录到信号幅值在500mV以上,选用方案一。

4.系统总体流图

三:程序设计

系统采用单片机控制频率合成器ADF4351输出250M到300M的本振信号,通过ADF435x辅助工具,实现步进1Mhz,增益-4dBm到+5dBm可调。具有按键输入参数,OLED显示参数功能,人机交互界面友好,功耗低。软件流程图见图6。

ADF4351采用的是三态鉴频鉴相器,鉴相器接受参考信号Fpfd与输出信号经过N分频后的输入,产生与二者的相位和频率差成比例的输出,再输入到电荷泵(为LPF提供充放电电荷),然后电荷泵的输出经环路滤波器LPF(低通),滤除高频成分和噪声,再输入到压控振荡器VCO,控制输出所要求的频率。

以下为参数设置:

鉴相器的一端输入为Fpfd,其中D、R、T由单片机设置,如下式(1)所示:

Fpfd = REFIN * [(1 + D)/(R * (1 + T))] (1)

REFin 接晶体振荡器作为输入,使用晶体振荡器可以较好的解决输入噪声问题。(选用100M晶振);

D是倍频器(0或1);,可以改善相位噪声性能

R是RF参考分频系数(1至1023);

T是参考2分频位(0或1)。

利用INT、FRAC和MOD的值以及R分频器,可以产生间隔为PFD频率的分数的输出频率。如式(2)所示。

RFOUT = fPFD × (INT + (FRAC/MOD)) (2)

RFOUT是电压控制振荡器(VCO)的输出频率。

INT是二进制16位计数器的预设分频比(4/5预分频器为23至65535,8/9预分频器为75至65,535)。

FRAC是小数分频的分子(0至MOD − 1)。

MOD是预设的小数模数(2至4095)。

此时可以输出的频率范围是2200M到4400M,可以通过对R分频器的设置, 使输出低至35Mhz。如下式(3)所示。

RFout= RFOUT/RF Divider (3)

RF Divider是细分VCO频率的输出分频器。

五:总结

本系统通过ADF4351生成本振信号,配合混频器输出中频信号,放大中频信号后使用包络检波解调信号,再通过基带放大器放大信号。本系统性能优良,实现了载波频率为250MHz-300MHz,幅度有效值为10uV-1mV,调制频率为300Hz-5KHz。本系统经过测试,基本数值均达标。

论文作者: 杜润泽

论文发表刊物:《科技中国》2018年6期

论文发表时间:2018/8/10

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