基于场效应管可变电阻特性的振幅调制及非线性失真矫正.pdf

：引用格式：石铭，朱会宗，黄河澎，等基于场效应管可变电阻特性的振幅调制及非线性失真矫正无线电工程，（）：，（）：基于场效应管可变电阻特性的振幅调制及非线性失真矫正石铭，朱会宗，黄河澎，李文都，杨春勇，倪文军，（中南民族大学 电子信息工程学院，湖北 武汉；中南民族大学 智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉；中南民族大学 智能物联技术湖北省工程研究中心，湖北 武汉）摘要：依据场效应管可变电阻特性设计了语音信号的振幅调制（，）与传输系统。针对栅源电压与漏源电阻间固有的非线性关系会导致调幅信号非线性失真与调幅度较低的问题，采取了基于单片机动态拟合的非线性矫正方法。结果显示，在栅源输入信号电压 时，失真度从下降至，在失真度不影响语音信号接收的前提下，调幅度从提高到。该调幅方法具有结构简单、易于集成和非线性失真小等特点，在通信系统集成与信号高保真传输等领域具有重要应用前景。关键词：场效应管；可变电阻；调幅；非线性失真；调幅度中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，；，）：（），：；收稿日期：基金项目：湖北高校省级教学改革研究项目（）；湖北省自然科学基金（）；中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金（）；武汉市知识创新专项（）：（）；（）；（）；（）引言无线通信是利用电磁波在自由空间中传播的特性进行信号传输的一种通信方式，信号传输过程主要包括振幅调制（调幅）、频率调制和相位调制种方式。振幅调制是指将含有信息的低频基带信号对高频载波信号的振幅进行调制，形成调幅波，以便于信息的发送和接收，主要应用于广播通信系统、航空航天、卫星通信和光纤通信等领域。工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 目前调幅电路的实现方法主要有丙类功放中的基极调幅、集电极调幅的大信号调幅和采用模拟乘法器的小信号调幅。传统模拟乘法器调幅存在电路结构复杂、非线性误差大、对对数晶体管匹配性要求高和稳定性差等缺点。本文依据场效应管可变电阻特性提出了一种实现小信号调幅的方法，以此为基础研究语音信号的调制、发送和接收。由于栅源电压与漏源电阻间固有的非线性关系，会导致调幅波不可避免地存在非线性失真，影响调幅度的进一步提高。针对上述问题，本文采用基于单片机实时动态拟合的非线性矫正方法，以改善调幅波的非线性失真和提高其调幅度。实验原理实验流程如图所示，语音信号经传感器转化为电信号，而后经由语音放大电路对其进行适当放大，语音放大信号将分为路径或者路径进行传递。路径中，语音放大信号输入场效应管调幅电路，与场效应管的栅极（）连接，场效应管的源极（）接地。依据场效应管可变电阻特性，可通过栅源电压调控漏源间的电阻，通过电路设计，选取与线性度较好的一段，假设 为单频率信号，则：（），式中：为调幅度，与、的具体关系有关。在场效应管漏极（），通过电流源产生角频率为的高频电流信号，因此漏极输出电压可表示为：（）。从表达式可以看出，为调幅波。实际上，由于场效应管的与之间并不是线性相关，尽管可通过采取设置静态工作点选取与线性度较好的部分和缩小范围的措施，输出调幅波仍然存在非线性失真，而且影响调幅度的提升。为了避免上述问题，在路径中，语音放大电路与场效应管调幅电路间增加了单片机拟合电路，通过漏极反馈电压调整单片机进行实时动态拟合，使得单片机拟合电路的输入电压与间呈近似线性相关。与间的线性程度与单片机参数设置和拟合过程关系密切。为了实现信号的有效传输、增加收音机的接收距离，通过功率放大电路对调幅波进行放大，并加载到自制的天线上。播放音乐，通过收音机进行收听，并且在示波器上观看音符跳跃。图实验流程 系统设计 语音信号采集与放大电路语音信号采集与放大电路如图所示。驻极体话筒内部含有声波传感器与结型场效应管，通过外接和 直流电压给场效应管提供合适的静态偏置。语音信号频率为 ，电容与并联构成低通滤波器，滤除 以上的频率干扰。驻极体话筒通过与语音放大电路耦合，语音放大电路采取同相比例放大电路设计，增益约为倍，运放采取单电源 供电。图语音信号采集与放大电路 电流源与场效应管调幅电路电流源与场效应管调幅电路如图所示，电流源是使用晶体管形成的共射放大电路，在输入端处通过信号发生器提供频率约 的输工程与应用 入电压信号，在集电极输出电流信号，为场效应管提供漏源高频载波电流，电流大小可通过改变输入电压大小进行调节。场效应管调幅电路使用电阻提供自给负偏压。电路采用的是结型场效应晶体管。场效应管的栅极（）与前端语音放大电路（路径）或单片机拟合电路（路径）进行连接。图电流源与场效应管调幅电路 单片机拟合电路单片机拟合电路如图所示，语音放大电路的信号从单片机的引脚输入，经单片机拟合后的输出信号经引脚连接后面的减法运算电路，用于去除拟合过程中由于单片机无法输出负电压而引入的 直流信号，减法运算电路的输出端连接场效应管的栅极（）。反馈信号取自场效管的漏极（），经硬件低通滤波后连接单片机的引脚，作为单片机拟合时的参考数据进行存储。由于电路存在噪声，在音频信号频带外的噪声干扰会影响单片机的拟合效果，于是本文采用软硬件滤波结合的方式对输入信号的噪声进行滤除。由于无限冲激响应数字（，）滤波器的幅频特性精度高，但不是线性相位，可以应用于对相位信息不敏感的音频信号上，并且滤波器相较于有限冲激响应数字滤波器（，），有着处理速度快、频带特性好等特点，适用于本系统。音频信号先通过硬件滤波将单片机采样率一半以上频率的噪声滤除再输入单片机，随后单片机在拟合前，通过软件滤波算法，将通频带 以外的噪声滤除，再对数据进行拟合。滤波设计流程如图所示。图单片机拟合电路 工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 图数字滤波设计流程 单片机动态拟合过程如图所示。单片机根据设定的初始值进行输出，通过不断提高值对设定的拟合范围进行扫幅输出。同时，输入将和值进行数组存储。在数据采集完成后，单片机根据语音放大电路输入信号进行拟合查表输出，最终在天线处得到线性度改良后的调幅波。图单片机动态拟合过程 功率放大电路与天线功率放大电路如图所示。为提高输入阻抗，第一级放大器采用基于的共源放大电路。为了简化电路，且满足天线两端功率达到 的需求，第二级放大电路采用基于晶体管形成的甲类放大器。将绕制的电感线圈作为天线，与电容构成并联谐振回路，作为功率放大电路的负载，谐振频率等于高频载波频率。其关系满足：槡。图功率放大电路 结果与讨论结型场效应管输出特性曲线如图所示。当 时，与线性相关，漏源间表现为电阻，且其大小与栅源电压相关。因此，需要严格设计电流源的输出电流幅值，使得在 以内。依据输出特性，经过线性拟合，得到与的关系曲线如图所示。与的关系整体而言为非线性，只有在一小段范围内才显示近似线性相关，导致调幅信号不可避免地存在非线性失真，且影响调幅度的提升。图 结型场效应管输出特性曲线 工程与应用 图漏源电阻与栅源电压关系曲线 采集一段音频信号，通过进行数字滤波处理，滤波前后的时域波形如图所示。可以看出，数字滤波可以有效消除音频信号中的噪声信号，减小因噪声引入的拟合误差。采用单片机拟合前后（）与随时间的变化关系如图所示。采取图中路径的连接方式，此时电路不包含单片机拟合，在场效应管的栅极（）输入如图所示随时间线性变化的电压扫描信号，电流源为场效应管的漏极提供直流电流。如图（）所示，场效应管的漏极电压随时间非线性变化，这是由于与间的非线性所导致。当采取路径接入单片机拟合电路后，在单片机拟合电路的输入端处（引脚）输入随时间线性变化的电压扫描信号，电流源为场效应管的漏极提供直流电流。如图（）所示，场效应管的漏极电压随时间线性变化，说明与呈线性相关。（）低通滤波器滤波前（）低通滤波器滤波后图低通滤波器滤波前后波形 图（）与随时间的变化关系 （）工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 采用单片机拟合前后，（）输入、幅值 正弦波时的波形如图所示。采取路径的连接方式，电路不包含单片机拟合时，在场效应管的栅极（）输入、幅值 的正弦信号时，如图（）上部黄色波形，测得的的波形如图（）下部蓝色波形所示，波形出现显著失真。采取路径接入单片机拟合电路后，在单片机拟合电路的输入端处（引脚）输入、幅值 的正弦信号时，如图（）上部黄色波形，测得的的波形如图（）下部蓝色波形所示，波形无明显失真，表明栅源电压和漏源电阻间的非线性失真得到了有效矫正。（）未采取单片机拟合（）采取单片机拟合图（）输入、幅值 正弦波时的波形 （）采用单片机拟合前后，（）输入、幅值 正弦波时的天线两端调幅波如图所示。为了观察天线两端调幅信号效果，采取正弦波测试信号取代语音放大电路输出信号，作为模拟单音频信号。当输入、幅值 正弦波测试信号，如图（）未采用单片机拟合和图（）采用单片机拟合的上部黄色波形，测得的天线两端调幅波如图（）和图（）下部蓝色波形所示。可以看到，采用单片机拟合电路后，调幅波的非线性失真得到明显改善，失真度约从提高到。采用单片机拟合前后，（）输入、幅值 正弦波时的天线两端调幅波如图所示。（）未采取单片机拟合工程与应用 （）采取单片机拟合图（）输入、幅值 正弦波时，天线两端调幅波 （）（）未采取单片机拟合（）采取单片机拟合图（）输入、幅值 正弦波时，天线两端调幅波 （）此时（）增大，调幅度也会相应更大。未采用单片机拟合电路时，调幅波出现非常严重的非线性失真，而采用单片机拟合电路后，非线性失真得到大幅改善，失真度约从提高到。测量此时的调幅度约为，而未采用单片机拟合电路时，输入正弦波幅值最大为 时才没有明显失真，对应调幅度约为。因此，采取单片机拟合电路后，不仅非线性失真能得到显著优化，而且调幅度也能实现有效提升。输出调幅波的最大峰峰值为 ，输出功率约为。实物如图所示，在驻极体话筒处播放音乐，在天线两端通过示波器观察音符跳动如图所示。将收音机调到载波频率（）处，实时收听音乐信号，能在 内清晰地接收声音信号。通过对比是否采用单片机拟合电路时的接收效果发现，当采用单片机拟合电路后，声音更清晰、音质更好。工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 图实物 图示波器显示音符跳动 结束语本文依据场效应管的可变电阻物理特性，通过开展语音信号采集与放大、高频载波电流信号产生、场效应管调幅、调幅波非线性矫正和天线驱动等电路研制，实现了语音信号的调幅传输。通过采取单片机动态拟合的非线性矫正方法，使得调幅波在栅源输入信号电压 时，失真度从下降至，在失真度不影响语音信号接收的前提下调幅度从提高到。该方法在通信系统集成与信号高保真传输等领域具有重要应用前景。?参考文献陈朝 实验仿真在通信原理课程教学中的应用实验技术与管理，（）：，（）：，：，：，：，：，：工程与应用 范建军，李春霞，李敏，等卫星通信与测量系统频谱共享信号设计无线电工程，（）：，（）：王翠珍，纪明霞，任秀芳调幅信号的产生方法及电路仿真研究设备管理与维修，（）：王红霞，于莹基极调幅电路性能仿真分析电子设计工程，（）：王红霞，朱善林集电极调幅电路仿真分析电气电子教学学报，（）：赵宇杰，石发起，张妍，等基于的高电平调幅电路的设计与仿真信息通信，（）：张立立，杨华，孟祥博，等基于的振幅调制解调系统的设计与仿真实验技术与管理，（）：朱彩莲基于乘法器调幅电路设计与仿真电子设计工程，（）：宋智，薛严冰，许丽群，等基于的高频电路实验教学研究实验室科学，（）：魏博謇集成模拟乘法器的调幅电路系统研究微型电脑应用，（）：刘建华一种新型场效应管电阻四象限乘法器内蒙古大学学报（自然科学版），（）：范爱平 可变电阻的分析及应用电子工程师，（）：李福彬 可变电阻乘法电路湖南大学学报（自然科学版），（）：作者简介石铭男，（），博士，副教授，硕士生导师。主要研究方向：短波红外光电探测器、光学原子磁力仪与通信电子线路。朱会宗男，（），硕士研究生。主要研究方向：仪器仪表电路、通信电子电路。黄河澎男，（），硕士研究生。主要研究方向：软件工程。李文都女，（）。主要研究方向：仪器仪表电路。杨春勇男，（），博士，教授。主要研究方向：光通信与光电传感。倪文军男，（），博士，副教授。主要研究方向：光通信与光电传感。工程与应用