基于单片机的调幅信号处理

　　杨 兴，蒋美琪（成都理工大学信息科学与技术学院，成都 610059）

　　摘 要：本设计采用IAP15W4K61S4单片机为控制核心，电路由前级低噪声放大器、AGC模块、锁相环、混频器、中频滤波器及放大器、AM解调电路、基带放大器等部分组成。前级输入为10 μV-1 mV的小信号，通过低噪声放大器进行调幅处理，处理后的信号与锁相环产生的本征信号进行两次混频，输出10.7 MHz的中频信号。再经晶体滤波器和放大器进行滤波和放大，滤波后的信号通过峰值检测电路进行AM解调和基带放大器放大，最终经过5 KHz的有源低通滤波优化输出波形。实现输出1V±0.1V范围可调的解调信号。整个系统稳定性强，解调信号无明显失真。

　　关键词：IAP15W4K61S4单片机；锁相环电路；混频器电路；中频滤波器电路；检波电路

0 引言

　　在无线电路传输工程里，通常信号都是通过电磁波的形式进行传输。为了取得一个比较好的辐射效果。我们可以通过进行调制，将基带信号的频谱搬移到比较高的载波频率上，然后就可以通过提高频率以减少所用天线的尺寸。另外，调制可以把很多个信号源同时负载在不同的载波上进行传递，可以避免发生紊乱，实现一个载波传递一个信号，使信道达到多路复用的效果，提高信道传递的稳定性，降低风险系数。调制同时还能拓宽传输信号的带宽，让更多的信号可以通过传输信号进行传递，从而使得载波可以负载更多频率分段的信息信号。在本设计中采用IAP15W4K61S4单片机控制，用低噪声放大器将AM信号放大，与本振源混频 ^[1] ，经过中频滤波器滤出带有AM调制波的10.7MHz信号，在用AGC增益控制在一个稳定的幅度，通过峰值检波将带有AM的调制信号解调，通过基带放大器后再经过有源低通滤波优化输出波形。使解调信号在1V±0.1V范围内可调且无明显失真。

　　1 系统整体设计

　　本设计采用IAP15W4K61S4为控制核心，电路分为前级低噪放大、AGC模块、锁相环、混频器、中频滤波器及放大器、AM解调电路、基带放大器等部分组成。为实现输出范围在1V±0.1V内的可调信号解调后输出波形无明显失真。其整体设计通过对输入的AM小信号经过前级低噪声放大器电路进行放大调幅处理，再同与单片机相连的锁相环产生的本征信号进行两次混频，输出10.7MHz的信号到中频滤波器经过对信号滤波后再放大信号 ^[2] ，信号经过可控增益对信号解调，再通过对信号的放大以及对信号过滤后得到的信号通过示波器输出。系统的整体框图如图1所示。

　　2 系统硬件电路设计

　　2.1 前级低噪声放大器电路

　　为了对10μV-1mV信号进行放大以及防止对噪声放大的饱和，本模块采用1片ERA-8SM+和ERA-4SM+芯片级联，芯片的带宽是从DC-4GHz,使前级小信号放大至约315倍，由于该芯片在输入口中有匹配50Ω电阻，因此采用一个0.1μF 电容串联，从而在通频带内满足50Ω的输入阻抗要求。供电使用的是DC-5V，从而限流电阻使用的是10Ω，而在直流馈电使用的电感是390uH。前级放大电路如图2所示。

　　2.2 中频滤波器电路

　　此系统采用10.7MHz的晶体滤波器作为中频滤波器，为了在测试过程中防止发生干扰，中频频率选择满足以下关系：250+f>300-f。其中250,300MHz,分别指上下限频率，f为中心频率。中频滤波器带宽大小决定信号的稳定度，所以我们选用具有频率选择性高和温度稳定性良好，且中心频率为10.7MHz ^[3] ，通带宽度为±7.5KHz的晶体滤波器 ^[4] 。其电路图如图3所示。

　　2.3 中频放大器电路

　　此模块采用两级级联形式的AD603芯片进行中频信号放大，并在输入端设置的T型衰减器，使其增益范围达到-40dB-40dB,并使用OPA690芯片设置增益以驱动后级电路。

　　2.4 混频器电路

　　被测信号与锁相环产生的本振信号都会进入本模块进行混频，得到一系列频率成分供后级滤波电路使用。因为我们进行的是下混频，所以输入信号在260.7MHz～310.7MHz之间，但是锁相环产生的本征信号只能到180MHz，而我们需要输入的载波频率为250MHz～300MHz，因此本系统采用的是中频为10.7MHz的二级混频。且AD831芯片可以设置输出增益以弥补后带通滤波器的损耗，增益设置为10dB（1+R4/R3=3.16）。混频器电路图如图4所示。

　　2.5 基带放大器电路

　　此模块采用频带宽度适中，高性能低噪声双运算放大器NE5532芯片 ^[5] ，增益宽带为10MHz。在同相输入端串联一个100nf的电容，并联一个8.2K的电阻，形成一个高通滤波器，方向输入端并联一个1KΩ的电阻，反馈端接入一个10K的滑动变阻器可实现对放大倍数的控制。对前级晶体滤波器产生的中频信号进行放大处理。

　　2.6 可控增益电路

　　以AD603芯片为核心的AGC模块，其是高增益精度的压控VGA芯片，可通过级联方式增加带宽和增益。本系统中使用其对混频后的10.7MHz中频信号放大，放大倍数约6倍左右，保证进入检波电路的电压达到60mV～70mV。

　　2.7 锁相环电路

　　选用ADF4001芯片与MC1648芯片。四个变换电容二极管D1-D4和高频电感L2为压控元件，提高输出信号频率稳定度和压控线性度。使用磁珠隔离数字地和模拟地，减少系统之间的相互影响和降低噪声。在芯片引脚处接10pF和0.1μF电容对电源进行滤波，增加系统稳定性。

　　2.8 检波电路

　　检波即实现对信号的解调。该检波电路设置宽带范围为10K，检波需要60mv以上才能无失真检出中频信号。并且我们在每个电源输出端口均设置10μF与0.1μF的并联电容对其进行滤波。前端加入高速比较器opa690做缓冲器,运算放大器TL3016主要起缓冲作用。高速比较器TL3016比较的信号是同相端的待测信号与反向端反馈回来的信号，反馈电路中利用的是二极管和RC充放电进行检波。这样便构成反馈电路。滤波电路图如图5所示。

　　3 系统测试结果

　　3.1 系统实物图

　　本系统整体的实物图如图6所示。

　　3.2 测试方案

　　先将系统系分开，单独测试，再级联测试。信号源产生10μV～1mV小信号，接入低噪声放大器，通过示波器对各级电路进行点测，分析各级输出信号的参数指标。观测单片机是否能够控制锁相环，从而调节本征信号频率。改变系统调制频率或载波频率，通过示波器检测输出。

　　3.3 测试结果

　　1)调节载波频率为275MHz，输入信号幅度在10 μV～1mV。测试数据如表1所示。

　　2)调节载波频率为250-300MHz,输入信号幅度在10μV-1mV。测试数据如表2所示。

　　测试结果分析:通过对上述实验数据分析可以看出，本系统可以在在载波频率为250~300MHz，在10μV ~1mV之间实现信号的调幅处理，且基本稳定1±0.1V左右，波形没有一个明显的失真情况存在。波形如图7所示。

　　4 结论

　　在输入信号通过低噪声放大器后再与单片机控制的锁相环进行两次混频，再由中频放大器及过滤器得到的信号通过可控增益放大后进行检波，最后对输出信号进行滤波优化，所得到的信号无明显失真。根据上述测试数据，改变调制频率及载波频率，除输入信号为10 μV时 ^[6] ，其它幅度的输出信号幅度均在1V±0.1V范围，且晶体滤波器可滤出10.7MHz的中频信号。

　　参考文献：

　　[1] 葛建民,杨秀丽,韩建国,等.一种微弱射频信号检波器的研制[C].2011年全国微波毫米波会议.2011.

　　[2] 于洪喜,崔骏业.CDAS副站微波接收系统[J].空间电子技术.1997(4):28-29,46.1997.

　　[3] 张鹏辉,于钦学,任文娥.局部放电在线窄带检测系统的研究[J].高电压技术.2000(01):26-28.

　　[4] 平策.低成本无线气象传真接收与显控系统设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学.2018.

　　[5] 刘路明.用于煤层气抽放实验的超声波发生器设计与实现[D].重庆:重庆大学.2008.

　　[6] 徐明义.基于射频直接带通采样的接收技术研究[D].苏州:苏州大学.2012.

　　（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第05期第55页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）