本文设计一种对调幅信号进行处理的电路系统，最终输出为低频基带信号。此系统采用模块化的设计和超外差式方式，主要由五部分组成，低噪放大器，混频器，中频滤波，AM解调，基带放大器。输入信号先低噪放大器将输入小信号进行放大，便于后级处理；混频器将前段放大的AM输入信号与本振信号混频，选择上变频电路；经中频滤波部分取出中频，再经中频放大部分放大中频信号；AM解调采用二极管包络检波设计将前级中频调幅信号解调；基带放大器将解调出的基带信号进行放大，便于示波器观察。

关键词： 调幅；射频；混频；超外差；信号处理；自动增益控制；

一.系统方案

1.射频宽带放大方案

方案一：高频三级管等分立元器件

为了满足增益至少大于50dB要求，可采用多级放大电路实现。此方案需要大量采用分立元件，系统设计复杂，调试困难，尤其增益的定量调节很难。此外，由于采用分立元件以及多级放大，稳定性差，容易自激震荡。

方案二：高性能宽带运算放大器

选择高带宽高增益的运算放大器级联使用，一般运放增益较高，失调与零点漂移小，稳定性能较好，但其射频性能较差，对于射频小信号放大稳定性较差。

方案三；射频放大器

高线性度射频放大器在低频到GHz量级的带宽内都有较大的增益，而且增益起伏较小，噪声性能良好，通过级联方式可满足题目中对于增益和稳定性的要求。

综合考虑系统稳定性、增益、系统复杂度等因素，选择方案三。本设计采用低噪声射频放大器TQP3M9008和射频放大器MAR-8ASM+。

2.增益可调实现方案

方案一：MOS有源衰减

MOS有源衰减器是MOS晶体管的一种应用，具有频带宽、信号功率低等优点，但是电路设计复杂，调试困难，不易实现。

方案二：π型电阻衰减网络

π型电阻衰减网络是由电阻组成，在网络中加入滑动变阻器来控制增益大小，但网络衰减精度受电阻精度影响，控制精度难以保证。

方案三；数控衰减器

数控衰减器能够在大范围内实现精确衰减，并且可以结合外围电路实现程控衰减，性能稳定，易于设计和调试。

综合考虑选择方案三，本设计选用数控衰减器DAT-31R5-SP+实现可控衰减

3.本振设计方案

方案一：直接频率合成法

该方法主要是通过对外部晶振产生的信号源进行混频、倍频、半频和滤波，然后通过频率变换和组合，产生大量离散信号频率，最后有选择取出所需要的信号频率。优点是频率转换速率快、频率分辨率高、稳定度高、可以产生高频率信号，但集成度比较差，电路结构复杂且设计成本较高，杂散干扰也较为严重。

方案二：锁相环频率合成法

主要是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）组成。该方法主要运用反馈原理通过比较相位误差来控制频率输出。由外部晶振提供一个参考频率，该参考频率与压控振荡器输出的反馈频率经过频率变换调整后，在鉴相器中进行相位比较，不同相位差对应不同的控制电压，该控制电压通过控制压控振荡器中变容二极管的容值来调整其输出频率。PLL有很好的杂散抑制，且输出频率稳定、调试简单、便于设计实现，缺点是频率变换时间长。

综合考虑系统稳定性、复杂度等因素，选择方案二。本设计采用ADF4351芯片，其具有一个集成电压控制震荡器,输出频率范围35M-4.4GHz,扫频步进可达1kHz，锁定时间在us级，单片机以SPI改变控制字即可改变输出电压与频率。

4.混频器模块

方案一：单管混频

此类混频电路结构简单，但对LC的取值要求比较精确，不易调试。

方案二：差动对管混频

此类混频电路比单管混频好，但同时电路比较复杂，更加不易调试。

方案三：模拟乘法器混频

用模拟乘法器做成的混频器易于调试，结构简单，无源混频器具有较低的噪声，其线性度也比较好。

综合考虑选择方案三，本设计选用混频器为ADE-35MH。

5.AM解调电路

方案一：相干解调

相干解调也叫同步检波，它把已调信号的频谱通过混频搬到基带。相干解调时，为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步的本地载波，它与接收的已调信号相乘后通过低通滤波器取出低频分量，得到原始的基带调制信号。但相干解调电路的结构比较复杂。

方案二：包络检波

包络检波属于非相干解调，通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。包络检波是直接从已调波的幅度中提取原调制信号，结构简单，且解调输出是相干解调输出的2倍。

综合考虑选择方案二。

6.整体方案

本方案由射频宽带放大器、本振电路，混频电路，解调电路、数控衰减器和数字控制电路构成。整体方案如图1-1所示。

图1-1 调幅信号处理实验电路方案框图

射频宽带放大器大部分由集成射频宽带运放MAR-8ASM+和低噪放TQP3M9008芯片搭建而成，主要用于实现射频信号的宽带放大。

二.理论分析与计算

1.低噪声放大器设计

按照题目设计要求，载波信号电压在10uV~1mV之间，即功率为-47dB~-87dB。输入信号极小，固定增益Au≥60dB。信号通频带≥50MHz，则增益带宽积为：100GHz.

由于实际中带宽增益积的限制，单级放大无法满足要求且无法保持系统稳定，故采用分级放大方式。射频放大器选择50M~4GHz频段的低噪声放大器TQP3M9008，该芯片噪声系数为1.3dB下能达到1.9G，完全能达到系统要求。第三级为了减少通带纹波，射频放大器MAR-8。

2.混频器设计

按照题目设计要求,需将输入射频信号频率变换为中频信号，为后续电路提供解调环境。混频器工作原理如图2-1。

图2-1 混频器工作原理图

通过以上公式，可看出混频器本质是在时域把射频信号与本振信号相乘，利用输出信号频率之和或差实现变频。上面公式是理想混频器产生的中频信号，但实际输出包含射频信号 $\left ( \omega _{_{LO}}\dotplus \omega _{RF} \right )$ 和差频信号 $\left ( \omega _{_{LO}}\--\omega _{RF} \right )$ ，还有其他谐波信号，如 $\left ( m\omega _{_{LO}}\\\pm n\omega _{RF} \right )$ 频率为的谐波信号，这些谐波信号干扰大。

由于下变频三阶交截点产生的干扰频率比上变频的更加靠近中频频率，故本设计选择上变频实现混频。本设计选用模拟乘法器ADE-35MH做混频器。

3.中频滤波器设计

按照题目设计要求，中频频率为10.7MHz。根据混频器原理，可知混频器除了产生后端所需的中频信号，还有和差频及其各阶谐波，即。

由于混频器设计采用上变频方式，其干扰谐波分量在频域上离中频频率较远。而晶体滤波器或陶瓷滤波器选择性极强，对本振信号精度要求高。故选择中心频率为10.7MHz的LC带通滤波网络为中频滤波器。

4.中频放大器设计

按照题目设计要求，后端AM解调需要一定的电压，使检波二极管导通，便于解调。因此在输入射频信号经混频器和中频滤波器的衰减后需进行放大。

考虑到以上条件，故选择射频放大器MAR-8ASM+为放大芯片。

5.基带放大器设计

按照题目设计要求，解调后的基带信号有效值需稳定在1V±0.1V，AM解调衰减较大。由于解调信号频率范围为300Hz~5KHz，为低频信号。

考虑到以上条件，故选择OPA691/OPA834作为基带放大芯片。

6.程控增益的设计

按照题目设计要求，对于载波信号电压在10uV~1mV之波动，且输入信号有效值稳定在1V±0.1V。因此本系统需要随输入信号强度变化而自行调整系统增益，从而确保输出稳定。考虑到以上条件，选择电路易于实现、响应时间短、抗干扰强的数字AGC。主控器件为STM32F103，数字AGC电路结构如图2-2。

图2-2 数字AGC电路结构

三.电路与程序设计

1.电路设计

2.程序设计

AGC电路程序设计流程如图3-1所示，先进行系统初始化，然后为保护电路，分别设置两个衰减器默认衰减最大即63dB，再通过定向耦合器的耦合端把一部分输出信号反馈给检波器，检波器把检测到功率信号转换成电平信号，经ARM进行A/D采样，再把采样值与参考区间进行比较，如果采样值比参考区间最大值大，电路增益需减小，ARM控制两个衰减器衰减0.5dB，即整体衰减1dB，后重新采样，再次与参考值进行比较，如果输出信号大，ARM控制两个衰减器继续衰减0.5dB，直到输出信号锁定在参考区间或达最大衰减。反之，如果采样值比参考区间最小值小，ARM控制两个衰减器减少0.5dB衰减量，直到系统锁定或不再衰减。

图3-1 AGC程序设计流程图

四.测试方案与测试结果

1.测试方案及测试条件

（1）测试设备：信号源 Agilent N9310A 9KHz-3.0GHz

频谱仪 Agilent N9320B 9KHz-3.0GHz

测试条件：AM载波频率 250MHz-300MHz

本振信号频率 260.7MHz-310.7MHz

载波频率/MHz	250	260	270	280	290	300
中频频率/MHz	10.69	10.70	10.70	10.68	10.70	10.70

表4-1 调制频率为1KHz时中频频率值

载波频率/MHz	250	260	270	280	290	300
中频频率/MHz	10.70	10.70	10.69	10.70	10.70	10.70

表4-2 调制频率为5KHz时中频频率值

（2）测试设备：示波器 Agilent Technologies DSO7054A 500MHz 4GSa/s

信号源 Agilent N9310A 9KHz-3.0GHz

测试条件：AM信号载波频率275MHz Virms = 1mV

调制频率/KHz	0.3	0.5	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0
输出有效值/V	1.06	1.03	0．99	1.02	1．04	1.03	1.01

表4-3 载波频率为275MHz时输出信号幅值

（3）测试设备：示波器 Agilent Technologies DSO7054A 500MHz 4GSa/s