题目 C 题_无线传输信号模拟系统

详细内容见官网：

引用站外链接
2024 年全国大学生电子设计竞赛赛题公示
电赛

主要内容见：

任务

设计制作用于模拟产生无线传输信号的系统,包括模拟产生直达传输信号和多径传输信号，并合路得到模拟的无线传输信号。其中，直达信号的初相、幅值可设置，多径信号相对直达信号的时延、初相和幅值衰减可设置。系统的组成框图如图 1 所示。模拟产生的直达信号、多径信号，以及合路的输出信号都需要留出测试端口，以便进行测试。

图1 无线传输信号模拟框图

要求

  1. 模拟产生一个固定载波频率的无线传输信号，载波频率介于 30MH ~40MHz 之间，其中直达传输信号和多径传输信号S满足以下要求:
    1. 可设置无线传输信号为连续波（CW）信号或调幅（AM）信号。对于 AM 信号，其调制信号为频率的正弦信号。(10分)
    2. 模拟产生直达传输信号，载波幅度有效值可设置，有效值范围为 100mV ~1V，以 100mV 的步进可调，要求幅度有效值误差不大于 10mV；对于 AM 信号,其 AM 调制度可设置,调制度范围为 30%~90%，以10%的步进可调，误差不大于 5%。(20分)
      模拟产生的多径传输信号，其幅度衰减和时延可设置。相对直达信号，多径信号的时延范围为 50~200 ns ，以 30ns 的步距步进可调，要求时延误差不大于 10ns；幅度的衰减范围为 0~20dB，以 2dB 的步进可调，要求衰减误差不大于1dB。(20分)
  2. 模拟产生载波频率覆盖 30~～40MHz 波段的无线传输信号，载波频率 以 1MHz 为步进可设置,其中直达传输信号和多径传输信号满足以下要求:
    1. 模拟产生直达传输信号 ,在 30MHz~40MHz 范围内设置载波频率，要求频率误差不大于 2%；其他可设置参数满足 1 中 1.1 和 1.2 的指标要求。(16分)
    2. 模拟产生多径传输信号，相对直达信号的初置范围为 0°~180°，以 30° 的步进可调，要求初始相位误差不大于 10°；其他可设置参数满足 1 中 1.3 的指标要求。(20分)
  3. 在频段 30MHz~40MHz 内合路输出无线传输信号，要求合路输出信号正确，波形稳定。(8分)
  4. 其他。(6分)
  5. 设计报告。(20分)

前言

比赛打多了，电赛报了名不得不打了。看到题目出来一瞬间内心一万个草泥马，唯一的 B 题测量题不但直接测市电，还用的是 TI 板子，而且还有要命的功率限制。在看了不到 1 个小时后，我们就决定转战 C 题去了，遥想当年大一，也是转战一道通信测量题。现在嘛，都是小问题了，哐哐哐系统就搭建好了，3 天小改 3 次方案，系统一次比一次线性，最后问题全解决了。4 天 3 夜睡得特别香，就没熬夜过，一种特有的松弛感。

题目分析

题目有点绕，总的分析如下：

  1. 系统 3 个输出，1 个直达信号，1 个多径信号，1 个合路信号，均为有线连接。
  2. 信号可以在 CW（此处实际上为载波）和 AM （调幅）信号直接切换，载波要求见题，调制信号要求见题。
  3. 载波所给范围为有效值，误差经组委会回答为 ±10mV，降低了要求。
  4. AM调制度要求见题。
  5. 多径信号延时和衰减可设置，其中延时可以转化为相位，理论上要对整个 AM 信号进行延时，实际上可以只做调制信号延时；衰减要求见题。
  6. 多径信号相对于直达信号相位可设置，此处相位差指的是载波的相位差，要求见题。
  7. 合路输出信号正确，大体检测如下：0 相位时候理论上幅度加倍，180相位时候理论上相消，即调节相位会改变信号幅度；而调节延时相当于改变调制信号幅度进而会改变调制深度。

大致方案选择如下：

  1. DDS/DA 用 1 路，直出直达信号，对其做延时和相移得到多径信号；
  2. DDS/DA 用 2 路，1 路直出直达信号，1路 通过调相来出多径信号；
  3. DDS/DA 用 4 路，2 路载波，2 路调制信号，通过模拟乘法器进行 AM 调制，对各 1 路载波和调制信号做相移来模拟多径信号要求；

其中 DDS/DA 的控制可以使用32或者FPGA，看具体方便情况；考虑到幅度要求，可能需要对信号进行放大/衰减。

笔者方案

笔者采用上述方案 3，分析如下：

  1. DDS 选择 AD9959 来产生 4 路信号，笔者所用模块中，2 路提供板载运放进行DDS差分信号的转换，同时提供固定增益，使得 2M 的调制信号可以达到最大 4Vpp，而另外 2 路采用巴伦耦合，但发现对于题目要求 30~40M 的载波范围内不够平坦，故拆去巴伦，使用差分信号其中 1 路通过 LC 带通进行滤波然后输出；信号幅度相位均由 MCU 控制 DDS 改变。
  2. 乘法器选择 AD835 来进行调制，对于手册给出的 AM 调制原理图，不难发现，只需将调制信号置为 0 即可输出载波信号，但是调制信号需要达到 2Vpp 才能在理论上达到 100% 的调制度，好在笔者 DDS 可以直接满足。
图2 AM 调制电路
  1. 固定增益选择在乘法器后接入 OPA847 提供 20dB-30dB 左右的增益微调，后接入 PE4302 进行多径信号的衰减控制，该模块以 0.5dB 为步进，无需进行单位转换，可进行数字控制，此处采用并行控制。主要是考虑到乘法器在小幅度信号线性度更好。
  2. 考虑到合路器其实是 3 电阻构成，如果直接进行合路，直达信号和多径信号会相互干扰，测试会造成影响，故再加跟随器来进行隔离，同时笔者此处使用的是加法器。
  3. 电源模块使用单转双开关电源 + 线性LDO。
  4. MCU 选择其实无关紧要，此处为方便选择之前的 H743 核心板 + 底板来进行整个系统控制，屏幕使用串口屏。
  5. 考虑到信号对称性，直达信号和多径信号两路所采用模块包括阻容都应该一样才能达到最好的效果，下图中直达信号在合路前还需接入一级衰减器来保证两路一致性，即使改衰减器并不会被用于衰减。
图3 系统架构(需改正)
图4 系统实物

后话

在四川省的评测中对于不同的指标测试方法如下：

  1. 载波幅度有效值测试采用示波器均方值多次平均为标准；
  2. 调制深度采用光标测得调制信号包络的最大值和最小值来计算为标准；
  3. 延时采用光标测得包络延时为标准；
  4. 多径信号衰减采用示波器均方值多次平均并进行单位转换后结果为标准；
  5. 频率采用示波器频率计结果为标准；
  6. 相位差采用示波器两路信号相差多次平均为标准；
  7. 合路信号观察 0 相差和 180 相差 输出结果为标准。

方案达到满指标，拿下省一。

已经打了 3 年的电赛了，今年是最后一年了。从大一的懵懵懂懂，大二国赛失败的不甘，以及今年省赛的完赛，对于电赛，我想最终还是没有遗憾了。以后翻看这些时光，还是非常怀念。看着自己那些没用的作品还是很开心。感谢我的队友，感谢我的学长们，是他们带我一路前行。