短波段数模同传通信系统研究

谈天鸿，时悦辰，潘欣裕,2，王 玲，倪苏平

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009；
2.苏州科技大学 苏州智慧城市研究院，江苏 苏州 215009；
3.苏州市江海通讯发展实业有限公司，江苏 苏州 215009）

短波通信系统是指工作频率为2～30 MHz的无线电通信系统，它作为唯一不受网络节点枢纽和有源中继体制约的远程通信方式[1]，常被用来传输话音信号。传统短波通信存在通信频带窄、信道容量小、噪声大和晶振温漂严重频率变化大等情况。本系统通过DDS芯片AD9959设计了一款数字模拟信号混合发送、同步传输的短波通信系统，在不占用较大带宽的情况下，实现模拟信号和少量数字电文的稳定连续传输，可以弥补单一模拟信号通信的短板。由于使用DDS芯片，所以频点稳定且可以随意设置，以避开一些干扰较大的信道。解调时采用PLL锁相环电路实现载波的跟踪解调，准确解调出数字信号。电路整体成本较低、搭建方便，对于实际的短波数模同传通信具有参考意义。

1.1 2FSK的调制原理

2FSK调制是二进制频移键控调制，它是一种利用载波频率变化传输信号的调制方式[2]，信号可以看作角频率为ω1和ω2的2个振幅键控信号的叠加。设系统发送“1”时的信号为e2FSK(t)=A cos (ω1t+φn），发送“0”时的信号为e2FSK(t)=A cos(ω2t+θn），将2个信号在时域上进行叠加得：

式中：g(t)为单个矩形脉冲；
脉冲宽度为Ts；
an为1或0，为反码；
φn和θn分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位。在二进制移频键控中，φn和θn不携带信息，通常可令 φn和 θn为 0，令为s2(t)，组成一个相位连续的信号，可以进一步化简得：

1.2 AM的调制原理

AM（Amplitude Modulation, AM）调制是通过调制信号去控制高频载波的振幅，使之随调制信号作线性变化的一种调制方式[3]。我们将基带语音模拟信号与2FSK的已调信号进行AM调制，得到式（3）：

式中：A0为直流偏置；
m(t)为模拟语音信号；
e2FSK(t)即为2FSK信号。

1.3 AM包络检波原理

输入电压正向作用于二极管时，电流经过电阻R流入地，同时R两端的电压又给电容器充电，当反向电压作用于二极管时，电流不能通过，此时已充满电的电容开始放电，放电的速度和时间常数（R*C）有关，当R*C远大于高频频率的倒数时，就是最短周期，可以滤除高频分量。

1.4 PLL锁相环解调2FSK信号的原理

信号通过天线接收，LC网络选频放大后，再经过混频、带通、限幅，由锁相环电路进行2FSK信号的解调，解调后得到近似方波的数字信号。锁相环主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成[4]。

输入锁相环鉴相器的一路信号为ui=Umsin[ωit+θi(t)]，压控振荡器输出给鉴相器的反馈信号为uo=Uomcos[ωot+θo(t)]，得到输出信号为：

1.5 发送端和接收端数字信号编解码原理

发送4个0～9的数字，通过BCD码编码后组成一帧数据。发送端规定逻辑“0”为562 μs高电平加562 μs低电平，逻辑“1”为1 687 μs高电平加上562 μs低电平[8]，对键入的4个数字进行编码。发送时每一帧数据由9 ms低电平加4.5 ms高电平组成的引导码区分，后接16位数据码和16位反码并加入停止位，这样组成的每一帧数据固定为67.468 ms，如图1所示。接收端识别引导码后，通过反码校验机制还可验证数据传输是否正确[9]，确保数据传输无误后显示。

图1 一帧数据的逻辑分析图

2.1 硬件整体框架设计

本系统发射端将数字信息通过STM32F407ZGT6编码后接入DDS芯片AD9959的2FSK引脚调制后产生一个f1频点和一个f1+20 kHz频点的2FSK信号，与300～3 400 Hz的模拟语音信号通过AD835乘法器进行AM调制，带通滤波后接OPA847功放电路发送，供电采用14.8 V/2 200 mA·h的锂电池组接LM317，线性稳压为±5 V。系统框图如图2所示。

图2 发送和接收端的硬件框图

接收端通过LC选频网络接收信号后放大，通过AD835乘法器进行混频，得到10 MHz频点附近的已调信号，进行带通滤波。之后将信号分为两路，一路通过AD8361包络检波后即可得到模拟语音信号。另一路经过限幅整形输入NE564组成的锁相环电路，解调后接高速比较器得到较为标准的TTL数字电平，经STM32单片机解码后即可还原数字信号，我们在接收端统计各类误码的错误情况，不断优化，最终获得误码极少的数字信号。

2.2 AD8361包络检波解调电路

AD8361是一款均值响应功率检波器，可以应用在不超过2.5 GHz的高频接收机检波领域[10]。芯片外围电路组成非常简单，只需5 V单电源、电源去耦电容和输入耦合电容即可完成[11]。输出信号呈现线性响应的直流电压，转换增益为7.5 V /V rms[12]。通过调整外部滤波器电容，可以修改平均时间常数。

图3中，R2、R3和C7构组成的一个T型结构，用于调整输入阻抗匹配。芯片兼容的输入信号范围高达2.5 GHz，可以改变这个组合兼容不同频段的阻抗，此处使用150 Ω的电阻匹配，匹配最高800 MHz的信号。C3是环路滤波电容，改变电容的大小可以改变输出纹波的大小和瞬时响应，一般进行包络检波时该电容的取值相对较小，根据手册选取了0.1 μF，这里使用0.27 μF的电容进行实测更加稳定。IREF和SREF的引脚接法对应3种模式，分别为对地参考模式、内容参考模式以及电源参考模式，这里直接接地采用对地参考模式。

图3 AD8361包络检波解调电路

2.3 NE564锁相环解调电路

NE564锁相环解调电路能够解调输入载波频率10～90 MHz的高速数字信号。FSK解调电路输入信号的电压Vi≥100 mV，调制信号的频率范围为10～30 MHz，频偏为20 kHz。

图4中，C11为输入耦合电容，R13、C15构成偏置滤波，滤除杂波。R5和R7提供输入电流I，NE564的13引脚电压固定为1.3 V，通过调节电位器改变环路增益，使得VCO的锁定范围尽可能大，内部电阻R与电流I的关系为：

图4 NE564锁相环解调电路

测试时使用的是RIGOL的DS6062示波器，带宽高达600 MHz、采样率高达5 GSa/s。频谱仪使用的是RIGOL的DSA875频谱分析仪，频率为9 kHz～7.5 GHz，分辨率带宽为10 Hz～1 MHz。信号发生器使用的是RIGOL的DG4202高频信号发生器，最高输出频率为200 MHz。

3.1 模拟信号的调制与解调

模拟信号通过AM调制发送，已调信号的外包络线即为模拟语音信号，实验采用500 Hz～10 kHz的单频正弦波来模拟语音信号，通过25 MHz和25.02 MHz的载波调制发送。时域波形包络线清晰可见，如图5所示，频域可观察到明显的波峰如图6所示，包络检波解调后无明显失真，如图7所示。

图5 AM时域图

图6 AM频域图

图7 AM信号解调

3.2 数字信号调制、解调及编码传输时的改进

数字信号由单片机的键入值经过编码后输入AD9959进行2FSK调制，在时域上我们不易观察到2FSK的现象，因此由频域抓取25 MHz和25.02 MHz的频点，可以观察到明显峰值，如图8所示。

图8 2FSK频域图

接收端的数字信号TTL电平接在逻辑分析仪上可以得到每一帧每一位数据码的传输情况，并发现传输错误的原因。通过缩短引导码长度、增加冗余编码稳定信道、提高脉宽占空比能有效提升数字信号的传输正确率[13]。减少引导码低电平时间，可以抑制毛刺现象[14]，同时弥补帧与帧之间因信道空闲出现电平波动的情况[15]。

本系统设计了一个基于AM和2FSK的简易数模短波通信收发系统，经测试可以在2～30 MHz范围内较好地发送语音和数字信号，语音信号还原度高无明显失真，数字信号传输准确率高。