竞赛题目分析：2021年E题《数字－模拟信号混合传输收发机》

今年的大学生电子竞赛已经结束，下面对其中的E题进行分析。

一、任务 

设计并制作在同一信道进行数字-模拟信号混合传输的无线收发机。其中，数字信号由4 个0~9 的一组数字构成；模拟信号为语音信号，频率范围为100Hz~5kHz。采用无线传输，载波频率范围为20~30MHz，信道带宽不大于25kHz，收发设备间最短的传输距离不小于100cm。

收发机的发送端完成数字信号和模拟信号合路处理，在同一信道调制发送。

收发机的接收端完成接收解调，分离出数字信号和模拟信号，数字信号用数码管显示，模拟信号用示波器观测。

二、要求

1. 基本要求

（1） 实现模拟信号传输。模拟信号为100Hz~5kHz的语音信号，要求接收端解调后的模拟信号波形无明显失真。在只有模拟信号传输时，接收端的数码显示处于熄灭状态。

（2） 实现数字信号传输。首先键入4个0~9的一组数字，在发送端进行存储并显示，然后按下发送键对数字信号连续循环传输。在接收端解调出数字信号，并通过4个数码管显示。要求开始发送到数码管显示的响应时间不大于2秒。当发送端按下停止键，结束数字信号传输，同时在发送端清除已传数字的显示，等待键入新的数字。

（3）实现数字-模拟信号的混合传输。任意键入一组数字，与模拟信号混合调制后进行传输。要求接收端能正确解调数字信号和模拟信号，数字显示正确，模拟信号波形无明显失真。

（4） 收发机的信道带宽不大于25kHz，载波频率范围为20~30MHz。要求收发机可在不少于3 个载波频率中选择设置，具体的载波频率自行确定。

2. 发挥部分

（1）在发送端停止数字信号传输后，接收端数码显示延迟5秒自动熄灭。
（2）在满足基本要求的前提下，收发机发送端的功耗越低越好。
（3）在满足基本要求的前提下，收发机所传输的模拟信号频率范围扩展到50Hz~10kHz。
（4）其他。

三、说明

（1）数字和模拟信号必须先经过合路电路处理，然后在同一信道上调制传输，其调制方式和调制度自行确定。在合路电路的输出端应留有观测端口，用于示波器观测合路信号的波形变化。
（2）收发机的发送端和接收端之间不得有任何连线。
（3）收发机的发送端与天线的连接采用SMA接插头，发送端为F（母）头，天线端为M（公）头。天线的长度不超过1米。
（4）收发机的发送端和接收端均采用电池单电源供电，发送端的供电电路应留有供电电压和电流的测试端口。
（5）收发机的载波频率选取应尽量避开环境电波干扰。
（6）本题目中信道带宽约定为已调信号的 -40dB 带宽，通过频谱仪进行测量。具体如下图所示。

题目分析与方案设计

本题目是一个比较完整的无线收发系统，要求模拟信号与数字信号同传。
 
根据题目中关于模拟信号传输的要求描述，模拟信号采用模拟传输方式。需要传输的模拟信号频率范围是50Hz~10kHz，若采用AM调制，则需要的信道带宽为20kHz。
 
需要传输的数字信号为4位十进制数，加上数据帧的同步头和校验码等冗余信息，需要传输的bit数应该不会超过40。题目又规定从开始传送到终端显示的时间不超过2秒，所以实际传送的比特率最低可达20bps。根据香农定理，只要信道的信噪比不是极差，则数据传输需要的信道带宽极为狭窄，与模拟信号相比几乎可以忽略不计。
 
题目规定的信道带宽为25kHz，模拟信号占用了中间的20kHz，两侧各剩下2.5kHz的带宽，安插上述数字信道是绰绰有余的。因此，可以在10kHz~12.5kHz之间选择一个副载频（例如11.2kHz，即10kHz与12.5kHz的几何平均值），用数字信号调制这个副载波得到数字已调信号（最简单的调制方式是OOK调制）。
 
最后将数字已调信号与模拟信号叠加，叠加后的混合信号用AM调制方式对载波进行调制，放大后送天线发射。总的频谱结构如下：

采用此方案的电路结构如下图所示。

在这个方案中，区分两个信号的滤波器是关键。

模拟信号的低通滤波器的要求是：在数字信号副载频附近有足够大的衰减量，在12.5kHz处的衰减应该大于40dB。根据这两个要求，使用高阶椭圆滤波器、并将滤波器的第一个零点频率设计在数字信号副载波频率附近是一个较好的选择。例如采用带内波动0.5dB的 7阶椭圆低通滤波器，可以做到在11.2kHz（数字副载频）以及大于12.5kHz后的衰减均大于45dB。

数字信号的带通滤波器的要求是：在10kHz与12.5kHz处应该有足够大的衰减量。由于数字信号的带宽极低，所以采用多个点通滤波器级联是最简单的方法。例如采用3个中心频率均为11.2kHz、Q值均为25的点通滤波器级联，则它们的总带宽约为20Hz，在10kHz与12.5kHz处的衰减约为45dB。

接收部分是一个典型的超外差接收机结构，其中模拟信号接收与普通的AM接收机基本一致。

中放电路应该带有AGC功能，保证在接收条件变化时输出信号的幅度没有太大的变化，以利于后续的数字信号解调。

数字接收部分的解码器结构随调制方式的不同而不同。如果是OOK调制，则经过带通滤波器后的信号幅度大小就是基带信号的1与0，只要通过比较器整形即可送入微处理器解码。如果是其他调制方式，则可能还需要恢复副载波作为同步信号再进行同步解码。

很明显，对于本题目两路信号的带宽一宽一窄的情况，只要合理安排频谱，上述混合传输方案有效且电路比较简单。从题目给定的参数以及基本要求1、说明1等条件，可以猜测命题者似乎也是按照这个混合传输方案出的题。