今年的大學生電子競賽已經(jīng)結束，下面對其中的E題進行分析。
一、任務
設計并制作在同一信道進行數(shù)字-模擬信號混合傳輸?shù)臒o線收發(fā)機。其中，數(shù)字信號由4 個0~9 的一組數(shù)字構成；模擬信號為語音信號，頻率范圍為100Hz~5kHz。采用無線傳輸，載波頻率范圍為20~30MHz，信道帶寬不大于25kHz，收發(fā)設備間最短的傳輸距離不小于100cm。
收發(fā)機的發(fā)送端完成數(shù)字信號和模擬信號合路處理，在同一信道調(diào)制發(fā)送。
收發(fā)機的接收端完成接收解調(diào)，分離出數(shù)字信號和模擬信號，數(shù)字信號用數(shù)碼管顯示，模擬信號用示波器觀測。
二、要求
1. 基本要求
（1） 實現(xiàn)模擬信號傳輸。模擬信號為100Hz~5kHz的語音信號，要求接收端解調(diào)后的模擬信號波形無明顯失真。在只有模擬信號傳輸時，接收端的數(shù)碼顯示處于熄滅狀態(tài)。
（2） 實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸。首先鍵入4個0~9的一組數(shù)字，在發(fā)送端進行存儲并顯示，然后按下發(fā)送鍵對數(shù)字信號連續(xù)循環(huán)傳輸。在接收端解調(diào)出數(shù)字信號，并通過4個數(shù)碼管顯示。要求開始發(fā)送到數(shù)碼管顯示的響應時間不大于2秒。當發(fā)送端按下停止鍵，結束數(shù)字信號傳輸，同時在發(fā)送端清除已傳數(shù)字的顯示，等待鍵入新的數(shù)字。
（3）實現(xiàn)數(shù)字-模擬信號的混合傳輸。任意鍵入一組數(shù)字，與模擬信號混合調(diào)制后進行傳輸。要求接收端能正確解調(diào)數(shù)字信號和模擬信號，數(shù)字顯示正確，模擬信號波形無明顯失真。
（4） 收發(fā)機的信道帶寬不大于25kHz，載波頻率范圍為20~30MHz。要求收發(fā)機可在不少于3 個載波頻率中選擇設置，具體的載波頻率自行確定。
2. 發(fā)揮部分
（1）在發(fā)送端停止數(shù)字信號傳輸后，接收端數(shù)碼顯示延遲5秒自動熄滅。
（2）在滿足基本要求的前提下，收發(fā)機發(fā)送端的功耗越低越好。
（3）在滿足基本要求的前提下，收發(fā)機所傳輸?shù)哪M信號頻率范圍擴展到50Hz~10kHz。
（4）其他。
三、說明
（1）數(shù)字和模擬信號必須先經(jīng)過合路電路處理，然后在同一信道上調(diào)制傳輸，其調(diào)制方式和調(diào)制度自行確定。在合路電路的輸出端應留有觀測端口，用于示波器觀測合路信號的波形變化。
（2）收發(fā)機的發(fā)送端和接收端之間不得有任何連線。
（3）收發(fā)機的發(fā)送端與天線的連接采用SMA接插頭，發(fā)送端為F（母）頭，天線端為M（公）頭。天線的長度不超過1米。
（4）收發(fā)機的發(fā)送端和接收端均采用電池單電源供電，發(fā)送端的供電電路應留有供電電壓和電流的測試端口。
（5）收發(fā)機的載波頻率選取應盡量避開環(huán)境電波干擾。
（6）本題目中信道帶寬約定為已調(diào)信號的 -40dB 帶寬，通過頻譜儀進行測量。具體如下圖所示。
題目分析與方案設計
本題目是一個比較完整的無線收發(fā)系統(tǒng)，要求模擬信號與數(shù)字信號同傳。
根據(jù)題目中關于模擬信號傳輸?shù)囊竺枋?，模擬信號采用模擬傳輸方式。需要傳輸?shù)哪M信號頻率范圍是50Hz~10kHz，若采用AM調(diào)制，則需要的信道帶寬為20kHz。
需要傳輸?shù)臄?shù)字信號為4位十進制數(shù)，加上數(shù)據(jù)幀的同步頭和校驗碼等冗余信息，需要傳輸?shù)腷it數(shù)應該不會超過40。題目又規(guī)定從開始傳送到終端顯示的時間不超過2秒，所以實際傳送的比特率最低可達20bps。根據(jù)香農(nóng)定理，只要信道的信噪比不是極差，則數(shù)據(jù)傳輸需要的信道帶寬極為狹窄，與模擬信號相比幾乎可以忽略不計。
題目規(guī)定的信道帶寬為25kHz，模擬信號占用了中間的20kHz，兩側(cè)各剩下2.5kHz的帶寬，安插上述數(shù)字信道是綽綽有余的。因此，可以在10kHz~12.5kHz之間選擇一個副載頻（例如11.2kHz，即10kHz與12.5kHz的幾何平均值），用數(shù)字信號調(diào)制這個副載波得到數(shù)字已調(diào)信號（最簡單的調(diào)制方式是OOK調(diào)制）。
最后將數(shù)字已調(diào)信號與模擬信號疊加，疊加后的混合信號用AM調(diào)制方式對載波進行調(diào)制，放大后送天線發(fā)射。總的頻譜結構如下：
采用此方案的電路結構如下圖所示。
在這個方案中，區(qū)分兩個信號的濾波器是關鍵。
模擬信號的低通濾波器的要求是：在數(shù)字信號副載頻附近有足夠大的衰減量，在12.5kHz處的衰減應該大于40dB。根據(jù)這兩個要求，使用高階橢圓濾波器、并將濾波器的第一個零點頻率設計在數(shù)字信號副載波頻率附近是一個較好的選擇。例如采用帶內(nèi)波動0.5dB的 7階橢圓低通濾波器，可以做到在11.2kHz（數(shù)字副載頻）以及大于12.5kHz后的衰減均大于45dB。
數(shù)字信號的帶通濾波器的要求是：在10kHz與12.5kHz處應該有足夠大的衰減量。由于數(shù)字信號的帶寬極低，所以采用多個點通濾波器級聯(lián)是最簡單的方法。例如采用3個中心頻率均為11.2kHz、Q值均為25的點通濾波器級聯(lián)，則它們的總帶寬約為20Hz，在10kHz與12.5kHz處的衰減約為45dB。
接收部分是一個典型的超外差接收機結構，其中模擬信號接收與普通的AM接收機基本一致。
中放電路應該帶有AGC功能，保證在接收條件變化時輸出信號的幅度沒有太大的變化，以利于后續(xù)的數(shù)字信號解調(diào)。
數(shù)字接收部分的解碼器結構隨調(diào)制方式的不同而不同。如果是OOK調(diào)制，則經(jīng)過帶通濾波器后的信號幅度大小就是基帶信號的1與0，只要通過比較器整形即可送入微處理器解碼。如果是其他調(diào)制方式，則可能還需要恢復副載波作為同步信號再進行同步解碼。
很明顯，對于本題目兩路信號的帶寬一寬一窄的情況，只要合理安排頻譜，上述混合傳輸方案有效且電路比較簡單。從題目給定的參數(shù)以及基本要求1、說明1等條件，可以猜測命題者似乎也是按照這個混合傳輸方案出的題。
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