余 莉，尹偉偉，于江海，楊業(yè)明

（航天科工慣性技術(shù)有限公司，北京 100074）

0 引 言

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，基于正弦信號(hào)在信道傳輸中頻譜簡(jiǎn)單、解碼可靠性高這一特點(diǎn)，通常將其作為受調(diào)載波。產(chǎn)生正弦信號(hào)最直接的辦法就是采用波形發(fā)生器，但是對(duì)于溫度為150 ℃及以上的應(yīng)用環(huán)境來(lái)說(shuō)，目前很難找到滿足要求的純硬件產(chǎn)品。如果通過(guò)功能強(qiáng)大的可編程波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，外部則需要微處理器配合，不僅硬件接口連接煩瑣、控制關(guān)系復(fù)雜，而且實(shí)現(xiàn)成本較高。事實(shí)上，數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中受調(diào)載波的波形形式并不需要指定為標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，只需要受調(diào)信號(hào)適用于信道傳輸、解碼簡(jiǎn)單即可。正弦信號(hào)作為受調(diào)載波時(shí)，其失真度參數(shù)對(duì)信道傳輸和解碼精度幾乎沒有影響?；诖耍跀?shù)字調(diào)制系統(tǒng)中可以采用近正弦信號(hào)作為受調(diào)載波。

1 近正弦載波發(fā)生器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種寬溫應(yīng)用且頻率穩(wěn)定可控的近正弦載波發(fā)生器，主要包括脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）發(fā)生器、有源帶通濾波器、信號(hào)調(diào)理電路3部分。PWM發(fā)生器輸出PWM信號(hào)進(jìn)入有源帶通濾波器，濾波器將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率不變、正負(fù)電壓對(duì)稱、幅值一定的近正弦波，信號(hào)調(diào)理電路最終將濾波器輸出信號(hào)調(diào)理為通信系統(tǒng)信道需要的受調(diào)載波[1]。

PWM發(fā)生器應(yīng)具有頻率穩(wěn)定和寬溫適應(yīng)性兩大特征，可以采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）等寬溫?cái)?shù)字CPU結(jié)合內(nèi)部功能塊編程實(shí)現(xiàn)。有源帶通濾波器可以采用有源低通濾波器串聯(lián)有源高通濾波器實(shí)現(xiàn)，也可以在負(fù)反饋支路上加入帶阻濾波器或者由單個(gè)運(yùn)放結(jié)合外圍的阻容電路構(gòu)成壓控電壓源二階帶通濾波電路實(shí)現(xiàn)[2]。其中，壓控電壓源二階帶通濾波電路是最常用、最經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。信號(hào)調(diào)理電路的作用是根據(jù)通信系統(tǒng)信道對(duì)受調(diào)載波幅值的要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)理，最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法就是通過(guò)集成運(yùn)放結(jié)合外部阻容構(gòu)成比例運(yùn)算電路。比例運(yùn)算電路的拓?fù)湫问蕉鄻?，包括反相比例運(yùn)算電路、同相比例運(yùn)算電路以及差分比例運(yùn)算電路等?？紤]到成本和實(shí)際需求，同相比例運(yùn)算電路適用范圍更廣。

1.1 PWM發(fā)生器

具有PWM功能模塊的寬溫單片機(jī)內(nèi)部包括RS觸發(fā)器、周期寄存器、比較器、定時(shí)器、緩沖器以及占空因數(shù)寄存器等部分，如圖1所示。具體編程中，使用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言均可[3]。

圖1 具有PWM輸出功能的寬溫單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PWM波形存在周期和占空因數(shù)兩個(gè)重要參數(shù)。在單片機(jī)內(nèi)，緩沖器從占空因數(shù)寄存器中取出占空因數(shù)與定時(shí)器的動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)值相比，當(dāng)二者相等時(shí)，比較器輸出復(fù)位信號(hào)到RS觸發(fā)器的R端。將周期寄存器的設(shè)定數(shù)據(jù)與定時(shí)器的動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)值相比，當(dāng)二者相等時(shí)，比較器輸出置位信號(hào)到RS觸發(fā)器的S端。RS觸發(fā)器根據(jù)R端、S端的輸入信號(hào)輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)進(jìn)入輸出控制器，輸出控制器再根據(jù)相應(yīng)的指令確定是否輸出PWM波形[4,5]。

1.2 壓控電壓源二階帶通濾波電路

壓控電壓源二階帶通濾波電路包括低通濾波器電阻R1和電容C1、高通濾波器電容C2和電阻R2、反饋電阻R3、同相比例運(yùn)算電路電阻Rx和Rf、運(yùn)算放大器N1，如圖2所示。

圖2 壓控電壓源二階帶通濾波電路

令C1=C2+C、比例系數(shù)Af=1+Rf/Rx，可得傳遞函數(shù)為

式中：s為復(fù)變量。當(dāng)R1=R2=R、R3=2R時(shí)，其傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為

令中心頻率為

結(jié)合式（1）和式（2）可以得到下限截止頻率為

上限截止頻率為

通頻帶為

通帶放大倍數(shù)為

式中：Q為品質(zhì)因數(shù)，Q=f0/fbw。Q常用于表征電路的幅頻特性，Q值越大，通帶放大倍數(shù)數(shù)值越大，頻帶越窄，選頻特性越好。

1.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路采用了同相比例運(yùn)算電路拓?fù)?，如圖3所示。

圖3 同相比例運(yùn)算電路拓?fù)?/p>

由于電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此可以認(rèn)為輸入電阻為無(wú)窮大、輸出電阻為零。根據(jù)理想運(yùn)放的“虛短”“虛斷”原則，可以得到輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為

2 實(shí)例設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

在某型系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中，應(yīng)用環(huán)境溫度為-20～150 ℃，受調(diào)載波信號(hào)的需求為頻率（500±5） kHz、幅值為±10 V的近正弦波。采用本文所提方法獲取受調(diào)載波信號(hào)，即由PWM信號(hào)發(fā)生器+二階帶通濾波器+信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)。PWM信號(hào)發(fā)生器通過(guò)單片機(jī)I/O口CCP1引腳直接輸出，單片機(jī)工作時(shí)鐘由內(nèi)部8 MHz晶振提供。利用該單片機(jī)定時(shí)器2的PWM工作模式，可以使引腳CCP1直接輸出占空比為0.5、頻率為（500±5） kHz的PWM信號(hào)。在二階帶通濾波器+信號(hào)調(diào)理電路電路中，模擬電源選用±12 V供電，運(yùn)放選用TI公司的OPA2211。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)阻容的選取，二階帶通濾波器通帶的中心頻率f0=525 kHz，品質(zhì)因數(shù)Q=6.7，通頻帶Δf=78 kHz，f0處的電壓放大倍數(shù)Au0=2.03。信號(hào)調(diào)理電路選用同相比例運(yùn)算電路拓?fù)洌敵鲭妷篣o與輸入電壓Ui的關(guān)系為Uo=2.3Ui。

2.2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

按照實(shí)例參數(shù)對(duì)PWM信號(hào)和近正弦信號(hào)用示波器測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)例PWM信號(hào)與近正弦信號(hào)實(shí)際測(cè)試圖

由圖4可知，單片機(jī)輸出幅度接近5 V、占空比為0.5、頻率503.3 kHz的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)二階帶通濾波器和信號(hào)調(diào)理電路后，最終得到了幅值約為±10.5 V、頻率為503.3 kHz的近正弦信號(hào)，滿足受調(diào)載波的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

對(duì)于150 ℃及以上的寬溫應(yīng)用環(huán)境，本文提供的近正弦載波發(fā)生器設(shè)計(jì)方法不僅實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單、成本低，而且所產(chǎn)生的近正弦信號(hào)頻率穩(wěn)定可控，能夠作為受調(diào)載波廣泛應(yīng)用于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。