CN109257020A - 一种能够实现微弱调幅信号解调的实验电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够实现微弱调幅信号解调的实验电路，包括依次串联的信号输入的低噪声放大模块、高频自动增益控制电路模块、混频器模块、中频滤波器模块、中低频自动增益控制电路模块、检波器模块、基带滤波器模块和基带运放模块；以及与所述混频器模块连接的本振信号模块。本发明使用了信噪比较高的低噪声放大器以及输入动态范围较大的高频自动增益控制电路与中低频自动增益控制电路，扩大调幅信号的输入范围，提高系统输出信号的信噪比，然后，通过一无源的包络检波器，实现在信噪比较低的情况下，微弱调幅信号(1μV及以下)的解调。
Description
技术领域
本发明涉及内容小信号处理以及调幅信号解调(Amplitude modulation)领域，具体涉及一种能够实现微弱调幅信号解调的实验电路。
背景技术
信号调制可以将信号的频谱搬移到任意位置，从而有利于信号的传送，并且是频谱资源得到充分利用。调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致相互干扰。同时，需要还原出被调制的信号需要解调电路。调制与解调在高频通信领域有着广泛的应用，同时也是信号处理应用的重要问题之一。
幅度调制简称调幅，是正弦型高频载波的幅度调制信号幅度变化的一种调制方式，为全世界传统模拟中短波广播技术所采用。中短波广播AM信号主要靠大地波和天波传播，这种传播路径属于典型的随参信道传播。随参信道对信号传播的影响是不确定的，故信号的影响比较严重。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种能够实现微弱调幅信号解调的实验电路。具体来讲，本发明使用了信噪比较高的低噪声放大器以及输入动态范围较大的高频自动增益控制电路与中低频自动增益控制电路，扩大调幅信号的输入范围，提高系统输出信号的信噪比，然后，通过一无源的包络检波器，实现在信噪比较低的情况下，微弱调幅信号(1μV及以下)的解调。
本发明使用前级两级低噪声放大器进行信号调理，获取增益，抑制噪声；通过高频自动增益控制电路后，进一步扩大调幅信号输入范围；与本振信号混频下变频之后经过滤波，得到中心频率为10.7MHz的AM信号；后续连接无源的包络检波器后再经过中低频自动增益电路后进一步抑制高频噪声，提高输入调幅信号的动态范围与输出信号的信噪比；最后通过基带滤波器将待解调的信号完整地呈现出来。
本发明的技术方案如下：
本发明提出了一种能够实现微弱调幅信号解调的实验电路(信号处理电路)，该实验电路包括依次串联的信号输入的低噪声放大模块、高频自动增益控制电路模块、混频器模块、中频滤波器模块、中低频自动增益控制电路模块、检波器模块、基带滤波器模块和基带运放模块；以及与所述混频器模块连接的本振信号模块。
上述所述9个模块具体如下：
模块1：信号输入的低噪声放大模块。其中，所述信号输入的低噪声放大模块采用的是基于TQP3M9009的小信号低噪声放大电路，所述小信号低噪声放大电路包含低噪声运算放大器。
本发明中，所述低噪声运算放大器的噪声系数(NF)越小，输出信号的信噪比就越高。选用前级两级低噪声放大器进行信号调理的理由在于能够进一步抑制该信号处理系统的输入噪声的同时，增大输入调幅信号的动态范围，以便后续电路处理。
本发明中，所述低噪声运算放大器能够在5V单电源的工作状态下完成对于正负信号的放大。
其中，所述低噪声运算放大器的带宽为50MHz-4GHz；优选地，为150MHz-500MHz。
其中，所述低噪声运算放大器的固定增益为20dB-23dB；优选地，为22dB。
其中，所述低噪声运算放大器的噪声系数(NF)在1.3dB以下；优选地，为0.5dB。
模块2：高频自动增益控制电路模块。其中，所述高频自动增益控制电路模块采用的是基于AD8367的高频自动增益控制电路，所述AD8367为电压控制对数放大器(VGA)。
本发明所述高频自动增益控制电路模块能够进一步扩大输入调幅信号的动态范围，尤其是低幅值微弱小信号的调幅信号能够通过此模块得到一个恒定的输出信号，部分解决了微弱调幅信号输入的干扰问题。
其中，所述电压控制对数放大器的增益由实际电路运行情况确定，优选为5dB-45dB。
其中，所述电压控制对数放大器在100MHz-500MHz能够很好的工作；优选地，为400MHz。
其中，所述输入调幅信号的动态范围为0.5μV-500mV；优选地，为2μV。
其中，所述低幅值微弱小信号指1μV及以下的低幅值微弱小信号。
其中，所述恒定的输出信号的峰值为100mV。
模块3：本振信号模块。其中，所述本振信号模块使用直接数字式频率合成器(DDS)产生本振频率。
本发明中所述直接数字式频率合成器(DDS)可与MCU进行串行通信，所述MCU通过写入控制字的形式对所述直接数字式频率合成器(DDS)的工作模式进行操控。
本发明中，所述本振频率的范围为1Hz-400MHz；优选地，为400MHz。
模块4：混频器模块。其中，所述混频器模块采用的是基于AD831的混频器，其对于本振信号与输出信号的最高频率限制均为500MHz。
本发明将所述高频自动增益控制电路模块的输出信号与本振信号相乘，进行下变频。
本发明将整个系统的输入的调幅信号100MHz-410.7MHz下变频后得到在10.7MHz附近的调幅信号。
模块5：中频滤波器模块。其中，所述中频滤波器模块选择陶瓷滤波器作为本发明的中频滤波器部分，滤出10.7MHz±0.1MHz的有用信号；优选地，为10.7MHz。
模块6：中低频自动增益控制电路模块。
本发明中所述中低频自动增益控制电路模块能够进一步扩大中频滤波器滤波后的输入信号的动态范围，能进一步扩大整个系统输入调幅信号的动态范围，尤其是可输入调幅信号的幅值可以进一步降低，进一步解决了微弱调幅信号输入的干扰问题。
其中，所述中低频自动增益控制电路模块主要由四块芯片构成，所述四块芯片分别为高增益宽带压控放大器(VCA810)，高速比较器(AD8561)，通用J-FET双运算放大器(TL082)和宽带电压反馈运算放大器(OPA690)。
本发明中，所述高增益宽带压控放大器(VCA810)的输出信号经过分压后作为所述高速比较器(AD8561)的正相端的输入信号，该输入信号的幅值与所述高速比较器(AD8561)负相端的输入电平，通过所述高速比较器(AD8561)进行比较，得到一个电平经所述通用J-FET双运算放大器(TL082)放大之后控制所述高增益宽带压控放大器(VCA810)的压控端，形成一个电压负反馈的结构，从而实现了自动增益控制的效果，其中所述宽带电压反馈运算放大器(OPA690)将自动增益控制后的信号放大。
其中，所述中低频自动增益控制电路模块的输入频率为1Hz-150MHz；优选地，为75MHz。
模块7：检波器模块。
本发明中所述检波器模块为调幅信号解调部分的必用模块。
其中，所述检波器模块可分为有源检波器模块与无源检波器模块；优选地，为无源检波器模块。
本发明中，所述检波器模块中的检波器的作用是提取调幅信号的包络信息，以备后续进一步处理。
具体步骤为；所述检波器模块中的检波器可以通过对于调幅信号进行滤波，将调幅信号的峰值保留下来，从而得到包络信息。
模块8：基带滤波器模块。其中，所述基带滤波器模块使用的是通用运算放大器TLV4171，所述通用运算放大器TLV4171的增益带宽积(BW)为3MHz。
本发明中所述基带滤波器模块能够滤除解调出的信号(基带信号)频率范围以外的谐波成分。
其中，所述基带信号的频率为500Hz-3kHz；优选地，为3kHz。
本发明所述基带滤波器部分由高通滤波器与低通滤波器串联构成，其中，所述高通滤波器的截止频率为3kHz，所述低通滤波器的截止频率为500Hz，带内增益可通过外围电路中的滑动变阻器，根据实际需求与效果进行调整。
模块9：基带运放模块。
其中，所述基带运放模块使用的是超宽带电流型反馈运算放大器OPA695。
本发明中，所述基带运放模块的功能为放大解调出的信号(基带信号)。
本发明所述基带滤波器模块和所述基带运放模块之间进一步设有中低频自动增益控制电路模块。
本发明的有益效果在于：本发明使用前级两级低噪声放大器进行信号调理，获取增益，抑制噪声。本发明设计的实验电路能够实现微弱调幅信号的解调。本发明能够在恶劣环境下(例如信噪比小于10dB)完成调幅信号解调的工作。
附图说明
图1系统框图。
图2低噪声放大模块电路原理图。
图3低噪声放大模块电路PCB板图。
图4高频自动增益控制电路模块电路原理图。
图5高频自动增益控制电路模块PCB板图。
图6本振信号模块电路原理图。
图7混频器模块电路原理图。
图8混频器模块PCB板图。
图9中频滤波器模块电路原理图。
图10中频滤波器模块PCB板图。
图11中低频自动增益控制电路模块电路原理图。
图12中低频自动增益控制电路模块PCB板图。
图13检波器模块电路原理图。
图14检波器模块PCB板图。
图15基带滤波器模块电路原理图。
图16基带滤波器模块PCB板图。
图17基带运放模块电路原理图。
图18基带运放模块PCB板图。
图19输出波形效果图1。
图20输出波形效果图2。
具体实施方法
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例1
模块1：信号输入的低噪声放大模块。本发明中的该模块采用的是基于TQP3M9009的小信号低噪声放大电路，采用两级低噪放级联的方式。该低噪声运算放大器能够在5V单电源的工作状态下完成对于正负信号的放大，其带宽为50MHz-4GHz，固定增益在22dB之间，噪声系数(NF)低至1.3dB，能够满足本发明对于微弱调幅信号输入的要求，该部分电路原理图如图2所示，PCB板图如图3所示；
模块2：高频自动增益控制电路模块。本发明中的该模块采用的是基于AD8367的高频自动增益控制电路。AD8367实质为电压控制对数放大器(VGA)，增益为500MHz。其可通过简单的外围电路工作在自动增益控制(AGC)的模式下，能够进一步扩大输入调幅信号的动态范围，尤其是低幅值微弱小信号的调幅信号能够通过此模块得到一个恒定的输出信号，部分解决了微弱调幅信号输入的干扰问题，该部分电路原理图如图4所示，PCB板图如图5所示；
模块3：本振信号模块。本发明中的该模块使用直接数字式频率合成器AD9910(DDS)产生本振频率。AD9910其内部时钟可支持每秒10亿次采样，输出正弦波的频率最高可达400MHz，其内部具备一个14位的DAC，输出正弦波的频率分辨率可达0.23Hz。AD9910可与MCU进行串行通信，MCU通过写入控制字的形式对于AD9910的工作模式进行操控。本发明采用STM32F767作为MCU对AD9910的工作状态进行控制，使用者可以通过STM32F767相连的emWin模块对AD9910的输出频率进行控制。AD9910本振信号源部分的PCB板图如图6所示，相关程序由代码附录所示；
模块4：混频器模块。本发明中的该模块采用的是基于AD831的混频器，其对于本振信号与输出信号的最高频率限制均为500MHz，满足本发明的相关设计要求。与此同时，其外围电路的设计较为简单，输出的混频信号的幅度可以通过外围电阻控制。该部分的电路原理图如图7所示，PCB板图如图8所示；
模块5：中频滤波器模块。本发明经过大量实验后选择陶瓷滤波器作为本发明的中频滤波器部分，滤出10.7MHz附近的有用信号，其频率选择性较高。该部分的电路原理图如图9所示，PCB板图如图10所示；
模块6：中低频自动增益控制电路模块。本发明中的该模块主要由四块芯片构成，分别是高增益宽带压控放大器VCA810，高速比较器AD8561，通用J-FET双运算放大器TL082和宽带电压反馈运算放大器OPA690。该模块具有输入频率范围宽的优良特性，为1Hz-150MHz，与此同时，其输入信号的幅度动态范围较宽，由AD8561比较器负相端的直流电压所决定，可供使用者调节。此模块能够进一步扩大中频滤波器滤波后的输入信号的动态范围，能进一步扩大整个系统输入调幅信号的动态范围，尤其是可输入调幅信号的幅值可以进一步降低，进一步解决了微弱调幅信号输入的干扰问题。该部分的电路原理图如图11所示，PCB板图如图12所示；
模块7：检波器模块。本发明的检波器模块使用的是无源检波器模块。相较于有源检波器，无源检波器的输出的解调信号谐波分量较小。该检波器模块中，本发明对于其中的非线性元器件的选型进行了一定的考量。通过大量的实验后，选用了2AP10型号作为检波二极管作为本发明的检波器的模块一部分，其带来的解调信号的谐波成份更小。该部分的电路原理图如图13所示，PCB板图如图14所示；
模块8：基带滤波器模块。本发明的基带滤波器模块使用的是通用运算放大器TLV4171，其增益带宽积(BW)为3MHz，为轨对轨(Rail-to-Rail)运算放大器。本发明的基带滤波器部分为高通滤波器与低通滤波器的串联构成，其中高通滤波器的截止频率为3kHz，低通滤波器的截止频率为500Hz，带内增益可通过外围电路中的滑动变阻器，根据实际需求与效果进行调整。该部分的电路原理图如图15所示，PCB板图如图16所示。
模块9：基带运放模块。本发明的基带运放模块使用的是超宽带电流型反馈运算放大器OPA695，其工作于放大倍数为8倍的情况下，最大带宽可达450MHz。其在负载100Ω的情况下，输出电流可达120mA，具有一定的功率放大特性。因此，OPA695该款运算放大器满足本发明的基带运放的要求。本发明在设计过程中，该基带运放模块可通过OPA695外围的滑动变阻器对其增益进行调节，以满足实际需求。该部分的电路原理图如图17所示，PCB板图如图18所示。
需要注意的是，如图1中的系统框图所示，本发明中，中频滤波器的后一个模块与基带滤波器的后一个模块均为模块6-中低频自动增益控制电路模块，其目的在于进一步扩大中频滤波器滤波后的输入信号的动态范围，能进一步扩大整个系统输入调幅信号的动态范围，尤其是可输入调幅信号的幅值可以进一步降低，进一步解决了微弱调幅信号输入的干扰问题。
本发明的连接顺序：模块1，模块2，模块4，模块5，模块6，模块7，模块8，模块6，模块9，模块3独立于其余8个模块连接的整体而存在，模块3的输出信号作为模块4的一路输入信号。
测试结果展示
本发明测试使用的示波器型号为Tektronix DPO3054，使用的数字万用表的型号为Victor VC890C+。
在本发明测试用例1中，输入信号为峰峰值0.8μV的幅度调制信号，信号载频为410.7MHz，本振信号的频率为400MHz。该幅度调制信号的调制频率为3kHz，调制深度为50％。由图19可见，解调后的信号频率为3kHz，峰峰值为952mV。因此，本发明成功地完成了对于微弱调幅信号的解调。
在本本发明测试用例2中，输入信号为峰峰值0.6μV的幅度调制信号，信号载频为410.7MHz，本振信号的频率为400MHz。该幅度调制信号的调制频率为2kHz，调制深度为50％。由图20可见，解调后的信号频率为2kHz，峰峰值为1.02V。因此，本发明成功地完成了对于微弱调幅信号的解调。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (10)
1.一种能够实现微弱调幅信号解调的实验电路，其特征在于，包括依次串联的信号输入的低噪声放大模块、高频自动增益控制电路模块、混频器模块、中频滤波器模块、中低频自动增益控制电路模块、检波器模块、基带滤波器模块和基带运放模块；以及与所述混频器模块连接的本振信号模块。
2.如权利要求1所述的实验电路，其特征在于，所述信号输入的低噪声放大模块采用基于TQP3M9009的小信号低噪声放大电路；所述小信号低噪声放大电路包含低噪声运算放大器。
3.如权利要求2所述的实验电路，其特征在于，所述低噪声运算放大器的带宽为50MHz-4GHz；和/或，所述低噪声运算放大器的固定增益为20dB-23dB；和/或，所述低噪声运算放大器的噪声系数NF在1.3dB以下。
4.如权利要求3所述的实验电路，其特征在于，所述高频自动增益控制电路模块能进一步扩大输入调幅信号的动态范围；其中，所述输入调幅信号的动态范围为0.5μV-500mV。
5.如权利要求1所述的实验电路，其特征在于，所述本振信号模块使用直接数字式频率合成器DDS产生本振频率；其中，所述本振频率的范围为1Hz-400MHz。
6.如权利要求1所述的实验电路，其特征在于，将所述高频自动增益控制电路模块的输出信号与本振信号相乘，进行下变频，得到下变频后的信号。
7.如权利要求1所述的实验电路，其特征在于，所述中频滤波器模块选择陶瓷滤波器作为中频滤波器部分，滤出10.7MHz±0.1MHz的有用信号；所述中低频自动增益控制电路模块的输入频率为1Hz-150MHz。
8.如权利要求1所述的实验电路，其特征在于，所述中低频自动增益控制电路模块主要由四块芯片构成，分别为高增益宽带压控放大器VCA810，高速比较器AD8561，通用J-FET双运算放大器TL082和宽带电压反馈运算放大器OPA690构成。
9.如权利要求1所述的实验电路，其特征在于，所述检波器模块为无源检波器模块；所述检波器模块中的检波器可以通过对于调幅信号进行滤波，将调幅信号的峰值保留下来，从而得到包络信息。
10.如权利要求1所述的实验电路，其特征在于，所述基带滤波器模块和所述基带运放模块之间进一步设有中低频自动增益控制电路模块。
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2018
- 2018-08-14 CN CN201810925072.5A patent/CN109257020A/zh active Pending
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