摘要
本文提出了一种FM、AM混合的模拟信号和数字信号的同时传输方案。调制时先将数字信号进行FSK-FM基带编码，再与模拟信号相乘，实现模拟信号与数字信号的合路，最后通过IQ调制器调制到射频发送。接收时，利用FM解调器的限幅特性和AM解调器对频率不敏感的特性，实现模拟信号与数字信号的分离。分离后的模拟信号使用示波器观测，Arduino读取数字信号并显示至四段位数码管。测试结果表明，能够实现模拟与数字信号传输的功能，满足题目要求。
一、方案论证
对于本赛题来说，最大的技术难点是模拟信号和数字信号的同时传输。
方案一：最常见的方法是使用频分方式，是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术，原理图如图1所示。
图1 频分方案原理图
频分方式需要将模拟信号或数字信号通过变频方式搬移到不同频率上，需要多次上变频下变频等操作，系统较为复杂且频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这就导致了频带利用率低从而造成信道带宽过大。
为此，我们提出了方案二：一种FM、AM混合的模拟信号和数字信号的同时传输方案。调制发射时先将数字信号进行FSK-FM基带编码，再与模拟信号相乘，实现模拟信号与数字信号的合路，最后通过IQ调制器调制到射频发送，如图2所示。接收时，利用FM解调器的限幅特性和AM解调器对频率不敏感的特性，实现模拟信号与数字信号的分离，如图3所示。
图2 方案二发射原理图
图3 方案二接收原理图
二、理论分析与计算
2.1 AM调制原理：
AM是指对信号进行幅度调制。一般做法就是先在原信号上叠加一个直流信号，以保证信号
然后乘上一个高频的余弦信号，即得到调制后的信号
在频域上的效果就是将原信号的频谱移动到w处，以适合信道传输的最佳频率范围。g(t)的包络线即 f(t)+A ,用包络检测电路就可以接收并还原信号了。调幅可以采用相干解调,将已调信号乘以载波后通过低通滤波器并在幅度上做一定调整即可以恢复出原来的调制信号。在对模拟信号进行调制解调程序中应避免出现过调幅。
2.2 FSK基带编码原理：
按数字数据的值（0或1）调制载波的频率。例如对应二进制0的载波频率为F1，而对应二进制1的载波频率为F2。该技术抗干扰性能好。
2.3 NBFM调制原理：
如果FM信号的瞬时相位偏移满足如下公式：
此时FM信号的频谱宽度比较窄。有窄带频移的一般表达式：
2.4 IQ射频调制原理：
调制信号可以使用幅度和相位（矢量）的极坐标来表示。IQ调制由于频谱效率较高，因而在数字通信中得到广泛采用。IQ调制使用了两个载波，一个是同相 (I) 分量，另一个是正交 (Q) 分量，两者之间有90°的相移(见图4）。
图4 I/Q相量图
IQ调制是矢量的方向问题，正交分量就是两个信号矢量正交。因为I和Q是在相位上面正交的（不相干），可以作为两路信号看待。所以频谱利用率比单相调制提高一倍。但是IQ对解调要求高于单相（必须严格与I相差90度的整数倍，否则Q信号会混进I，I也会混进Q）。IQ调制的主要优势是能够非常轻松地将独立的信号分量合成到一个复合信号中然后再将复合信号分解为独立的信号分量。
2.5 IQ带宽分析：
模拟信号为AM基带调制，其频率带宽为2 * fh，即调制信号频率的两倍。数字信号为FSK-FM基带调制，其带宽为 2*(mf+1)*fm (其中“mf”是调频指数，“fm”是调制信号的频率）。又因为射频调制为IQ调制，故合路信号带宽为模拟信号带宽与数字信号带宽之和，因为模拟信号中fh最大值为5kHz，故模拟信号带宽最大值为10kHz，而数字信号中fm为2.8kHz，mf为0.25kHz，所以数字信号带宽为12.6kHz。综上，总带宽为22.6kHz，满足题目不大于25kHz带宽的需求。
三、电路设计与程序设计
3.1 发射部分
发射硬件连接流程图如下图5所示。
图5 发射流程图
模拟信号为信号发生器产生的一定频率且峰峰值为60mV左右的正弦波信号，进入声卡hw2.0；数字信号首先在一块Arduino（编号为1）上通过按钮产生一组4位数字并在四位7段位数码管上显示，之后Arduino_1将该4位数字以HEX的文件格式经过一定程度编码后通过串口发送至另一块Arduino（编号为2），Arduino_2接收到数据包后通过FSK基带编码将其转为模拟信号，进入声卡hw1.0。Arduino_2外围电路原理图如下图6所示。
图6 Arduino_2外围电路原理图
其中合成电路部分采用SDR架构，利用GNU Radio在树莓派4B中完成，GNU Radio流程图如下图7所示。首先模拟信号进入声卡hw2.0，由声卡进行采集，采样率为48kHz，之后信号由实信号转为复信号以便GNU Radio进行处理，增加一个直流偏置后进入乘法器；数字信号进入声卡hw1.0，由声卡进行采集，采样率为48kHz，对其进行NBFM调制后进入乘法器，两路信号经过乘法器混合后形成合路信号输出，一路经过复数转为浮点数（复信号转为实信号），就由声卡hw0.0输出到合路信号观测点，另一路则通过截至频率为10.5kHz的汉明窗低通滤波器，最终输出到USRP进行上变频至29MHz，通过USRP输出最终的信号至鞭状天线发射出去。如需更换载波频点则打开相应频点的程序即可。
图7 GNU Radio发射流程图
发射端Arduino_1首先判断按下的是哪个按钮，按下按钮时一是要消抖二是要仍保持数码管显示，之后完成相应按钮的执行任务，在发射状态下通过串口发送相应的数据包，之后进入下一次循环。其程序流程图如图8所示。
发射端Arduino_2首先从串口读进来自Arduino_1的数据，对其进行aprs格式的编码形成数据帧，然后对数据帧进行1bit的遍历，当数据位是1的时候对一个计数器加一个值；当数据位是0的时候对一个计数器加另一个值，之后这个计数器去查正弦表，正弦表的输出经过一个电阻网络组成的dac后输出FSK信号。其程序流程图如图9所示。
图8 发射端Arduino_1程序流程图
图9 发射端Arduino_2程序流程图
3.2 接收部分
接收硬件连接流程图如下图10所示。
图10 接收流程图
射频信号通过接收端的鞭状天线进入USRP，经过IQ解调后实现下变频，之后基带低频信号进入树莓派4B。实现模拟信号与数字信号的分离与解调部分采用SDR架构，利用GNU Radio完成在树莓派4B中完成，GNU Radio流程图如图11所示。首先基带信号经过一个低通滤波器后，一路经过NBFM解调后隔离掉直流成分后再进行AFSK解调还原出原始数字信号的二进制序列，通过串口发送至接收端Arduino，Arduino识别处理数据包后将对应4位数字显示在数码管上，完成数字信号的传输流程；另一路先经过AGC模块后进行AM解调，最后通过声卡输出至接收端的模拟信号观测点。
图11 GNU Radio接收流程图
接收端Arduino每隔2ms会进入一次中断，如果接收标志存在且计时标志未被重置（接收到新数据时会设置接收标志并重置计时标志）则计时标志减1直至为0，如果为零则将接受标志置为2并熄灭数码管，从而达到时延效果，其程序流程图如图12所示。
图12 Arduino接收端程序流程图
四、测试方案与实验测试结果
4.1 测试方案
（1）模拟信号测试：用信号发生器产生50Hz~10kHz的峰峰值60mV左右的正弦波输入至发射端的模拟信号端口，在接收端用示波器在声卡测试点进行观测。
（2）数字信号测试：用发射端的控制模块上的第一个按钮开启发射，用第二个按钮选择变换的位数，用第三个按钮控制输出的数字，在接收端的数码管观察接收到的数字，更换输出数字，观测接收端的数码管数字变化，之后关闭发射，观测接收端数码管显示数字是否保持5秒钟后熄灭。
（3）合路信号观测：在发射端的树莓派音频输出口上接上测试线，用示波器连接测试线进行观测。此时可以测量功率，分别测量电压与电流，二者相乘即可。
4.2 测试结果
（1）模拟信号统计结果如下表1所示
表1 模拟信号结果测试表
图13 施加4.79kHz模拟信号
图14 施加3kHz模拟信号
图15 施加1kHz模拟信号
图16 施加100Hz模拟信号
分析认为波形失真或不稳定原因有：ADC位数有限，采样精度不够；噪声干扰；人体对电磁波传播的干扰。
（2）数字信号结果如下图17、18所示
图17 数字信号发射端
图18 数字信号接收端
在停止发送数字信号后，接收端约5秒后熄灭显示数码管。
（3）合路信号观测结果如下图19、20、21、22、23所示
图19 混合传输时模拟信号
图20 混合传输时频谱显示
图21 混合传输时数字信号
图22 混合传输时数字信号显示
图23 混合传输时合路信号
（4）功率测量结果：电压测量为5.02V，电流测量为936mA。功率约为4.7W。
五、结论
进行了方案论证、理论分析、电路设计、程序设计与测试，测试结果表明，能够实现模拟与数字信号传输的功能，满足题目要求。
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