2024电赛C题-无线传输信号模拟系统

技术文档

项目要求：

摘要：

本设计是以STM32F103为主控芯片的无线信号传输系统，实现对直达传输信号与多径传输信号的模拟输出，信号合路。载波信号的幅度有效值，调制度可设置；多径信号相对直达信号的时延、相位、幅值有效值可设置。STM32驱动DDS(AD9959)产生两路30~40MHz载波信号，通过鉴相器(AD0832)来同源两路载波信号进行相位相关。FPGA(EP4CE10)内部PLL产生同一采样时钟驱动DAC(AD9764)输出相位相关同源2MHz的两路调制信号。同源载波与同源调制信号两两相乘模拟产生AM，分别为直达信号和多径信号。两路信号的相位，延时，幅度有效值，通过STM32计算向DDS，FPGA，程控放大器（AD8336）传递参数实时调整，以满足参数要求。最后通过加法器将两路直达信号与多径信号合路输出。参数交互显示界面由STM32驱动串口屏实现。

1.方案设计与论证

1.1方案比较与选择

方案一：利用FPGA在数字域实现本题，FPGA内部用两路DDS产生载波和调制波相乘直接产生一路直达信号引出给DAC输出，同时在FPGA内部对该路信号进行处理产生多径信号引出给DAC输出，最后利用加法器将两路DAC合路。

缺点：数字算法实现复杂，FPGA开发难度大。

优点：载波信号与调制信号的产生与混频都在FPGA内部，便于精确控制，减少难以调理的模拟电路，本队认为这是比较好的方案，但手上缺少满足本题要求高采样率的DAC，故很无奈本方案只能放弃。

方案二：AD9854 DDS模块生成两路固定相位差的AM信号，其中第二路通过移相器调节相位；将AM信号通过THS3201电流反馈型运放放大，使用程控增益放大器对AM信号进行可控增益放大；最后通过加法器进行两路信号的合路输出。

缺点： AD9854的AM调制信号在载波频率高时，调幅输出不稳定，故放弃。

方案三：DSS模块(AD9959)生成两路载波信号，通过鉴相器(AD0832)进行载波信号同源，FPGA内部PLL同一时钟驱动两路DAC实现2Mhz同源调制信号输出，四路同源信号通过乘法器(AD835)两两相乘生成两路AM信号，经过电流反馈型运放THS3201放大，经过宽带加法电路(OPA695)将信号合路输出。

缺点：信号调理部分庞大复杂。

优点：无需使用移相器，幅度与相位在DDS内部数字可调，且满足题目同源要求。故使用方案三作为本题总体设计方案。

1.2 系统总体方案描述

图1 系统方案图

本设计的电路首先使用FPGA内部PLL输出同一时钟驱动AD9764高速DAC生成两路相位相关的同源2MHz调制信号，STM32驱动ADS9959生成两路30MHz载波信号，通过AD8302鉴相器，将相位信息反馈给单片机，确保输出两路载波信号同相进行同源；再将调制信号与载波信号进行相加，得到一路直达信号 $S_{D}$ 与一路多径信号 $S_{M}$ ；通过继电器选择输出连续波(CW)或者是调幅信号；最后将直达信号与多级信号通过加法器，得到合路信号，系统总体方案框图如上图1所示。

2.理论分析与计算

2.1 DDS工作原理

DDS(Direct Digital Synthesizer)即数字合成器，是一种新型的频率合成技术，具有相对带宽大，频率转换时间短、分辨率高和相位连续性好等优点，广泛应用于通信领域。DDS的基本结构图如图2所示。

图2 DDS的基本结构图

其中相位累加器由 N 位加法器与N 位寄存器构成。每来一个时钟，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。用相位累加器输出的数据，作为波形存储器的相位采样地址，这样就可以把存储在波形存储器里的波形采样值经查表找出，完成相位到幅度的转换。由 D/A 转换器将数字信号转换成模拟信号输出如图3。

图3 信号转换图

相位累加器位数为N位，相当于把正弦信号在相位上的精度定义为N位，所以其分辨率为1⁄2^𝑁。若DDS的时钟频率为𝐹𝑐𝑙𝑘，频率控制字fword为1，则输出频率为𝐹𝑜𝑢𝑡 =𝐹𝑐𝑙𝑘/2^𝑁 ，这个频率相当于“基频”。若fword 为 B，则输出频率为𝐹𝑜𝑢𝑡 = 𝐵 ×𝐹𝑐𝑙𝑘/2^𝑁 。

2.2 直达与多径信号产生方法

直达信号和多径信号都是由载波信号和调制信号相乘产生。其中多径信号较直达信号有一定的时延、初相改变和幅度衰减。若直达信号为 $S_{AM}(t)$ ，则多径信号为 $S_{M}(t) = aS_{AM}(t-t_{d})e^{j\\beta }$ 。

2.3 直达与多径信号的参数控制与信号合成

直达信号与多径信号经过加法器后得到合路信号 $S_{out}$ :

$S_{out} =S_{AM}(t) + S_{M}(t)$

2.4直达与多径信号相位调整原理

同时调整同源载波之间的相对相位，同时调整同源载波信号之间的相对相位，之后再两两相乘输出AM，这样模拟调整了多径信号相对直达信号的相位差。

2.5直达信号与多径信号延时调整原理

通过给定的调制信号频率，通过公式变换用调整载波相位的方式，来调整AM信号的延时。

2.6 AM信号调制度

首先我们知道幅度调制指的是用调制信号去控制载波的振幅，使已调制的信号包络按照调制信号的规律线性变换的过程。对于 $A_{M}$ 幅度调制信号，表达式如下：

其中 $m\\left ( t \\right )$ 为调制信号， $A_{C}$ 为载波幅度。当 $\\left | m\\left ( t \\right ) \\right |\\leqslant 1$ 时，调制后的信号 $S\\left ( t \\right )$ 的包络直接对应着调制信号

2024电赛C题-无线传输信号模拟系统

项目要求：

摘要：