一种无人机视频信号的收发电路设计*

李鑫儒，苏寒松

(天津大学电子信息工程学院，天津300072)

随着无人机系统的不断发展，视频信号收发电路作为无人机遥感系统中重要组成部分，受到国家越来越高的重视。由于无人机常工作在恶劣环境下，遥感系统采集的信号很不稳定，故将信号转换为数字信号，提高了无人机在恶劣环境下的工作能力［1］。

设计使用无线的数字视频图像传输方式。这种方式能够摆脱线缆的束缚，更好的隐蔽自己，达到侦察的目的。无线传输模块采用FSK(Frequency-Shift Keying频移键控)调制，是用不同频率的载波来传送数字信号，并用数字基带信号控制载波信号的频率。具有抗噪声性能好、传输距离远、误码率低等优点。在中低速数据传输中，特别是在衰落信道中传输数据时，有着广泛的应用［2］。传统用硬件实现FSK的方法集成块多、连线复杂且体积较大，特别是相干解调需要提取载波，设备比较复杂，成本较高［3］。设计基于CPLD芯片，采用VHDL语言编写了一种FSK调制解调的方法，并将数字集成电路CMOS反向器应用于模拟电子电路中，对模拟信号进行处理，直接利用数字集成门电路的线性特性完成信号的放大，具有较高的电压放大倍数与较高的通频带，实用性较高。

1 电路设计原理

1.1 FSK调制解调的基本原理

FSK是利用载波信号的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点之间变化［4］。故其表达式为:

式(1)表明，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。针对FSK信号的特点，本文改进了键控法，这种方法是利用数字信号去控制分频器来改变输出载波频率，产生一种相位连续的FSK信号，而且电路结构简单，容易实现［4］。在2FSK信号中，载波频率随着二元数字基带信号(调制信号)的“1”或“0”而变化，“1”对应于频率为f1的载波，“0”对应于频率为f2的载波。2FSK的已调信号的时域表达式为:

2FSK信号的解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。这里所用的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小。判决规则与调制规则对应，调制时若规定“1”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”，反之则判为“0”［4］。

由于本设计的难点在接收电路，其需要较高的放大倍数和通频带，所以选用了CMOS反向器构成的电路作为接收部分的放大电路。

1.2 CMOS反向器放大原理

CMOS反向器的电压转移特性曲线［5］(输入与输出电压之间的关系曲线)见图1(a)。图中，AB两虚线所夹的区域为反向器的状态转换区。电压转移特性曲线的中点所对应的输入电压为转换电压，用VT表示，为电源电压的一半，即VT=VDD/2。在转换区中，曲线比较陡直，只要输入电压有很小的变化，就可引起输出电压很大的变化，所以反向器电路在状态转换区具有电压放大作用，这与运算放大器的传输特性非常相似，因此可应用CMOS反向器构成反向比例运算电路。集成运算放大电路需要的是双电源，而COMS反向器不需要使用双电源，因此由CMOS反向器构成的反向比例运算放大电路比较简单;并且在电路参数选择、PCB板设计等方面强于用晶体三极管或场效应管构成的反向比例运算放大器。

图1 CMOS反向器电压转移特性和反馈偏置电路

与通常的放大电路相似，为了使CMOS反向器构成的反向比例运算放大电路能够稳定可靠的工作，也需要给门电路以静态偏置。若将反向器的输入端偏置在VDD/2处，输入的动态范围为最大。反馈偏置方法的特点是偏置电压稳定可靠，受外界因素影响小，且电路简单。偏置方法是在反向器的输入端与输出端之间接一电阻RF，如图1(b)所示，即可将反向器电路的静态工作点偏置在状态转换区的中点。偏置原理是:CMOS门电路的输入阻抗很高，一般在108Ω数值级以上，而RF远小于CMOS门电路的输入阻抗，故RF上的电压降近似为零，门电路的输入电压与输出电压相等，即Vi=Vo，这只能是转换区的中点。

应当说明，反馈偏置电阻不可过大，否则静态工作点受温度影响较大，可能会偏离线性区，使放大器输出电压产生非线性失真，甚至无法工作。但RF也不能过小过小则会增加门电路负担。RF—般在几百kΩ至几十MΩ之间选择，本设计所用反馈偏置电阻为3.3 MΩ。

2 基于CMOS反向器的电路设计与实现

2.1 FSK调制解调设计

本文设计的FSK调制解调收发电路采用了AL TERA公司的EPM570T100C5芯片，系统主时钟频率为150 MHz(芯片外部有源晶振)，“0”，“1”数字信号由程序中发生器产生。为完成FSK调制和解调的发送与接收，由CPLD芯片［6］完成的系统整体逻辑功能框图如图2所示。

图2 系统整体逻辑功能框图

本系统中调制是利用两个独立的分频器来改变输出载波频率，它们分别由晶振七、八分频得到，数字基带信号控制转换开关，当基带信号为“0”，选通载波f1，当基带信号为“1”时，选通载波f2，从选通开关输出的信号就是数字FSK信号。本文设计的FSK调制系统框图如图3所示。解调时，对应调制规则进行判决，在一定的时间内检测时钟上升沿来确定输入信号的频率，本系统中，计数器为4或5时判基带信号为“0”，计数器为6、7、8时判基带信号为“1”，解调系统框图如图4所示。

图3 FSK调制系统框图

图4 FSK解调系统框图

2.2 放大电路设计

经过多次实验测量发现，CMOS单反向器的开环电压增益只有5倍～10倍，而本文电路的小信号要求电压增益在几十倍，必须采用多级门电路构成高增益放大器［7］。理论上，可以将三级反向器串联后，仍等效为一个反向器，电路的输入与输出端加隔直电容C1和C2。这种放大器的理论电压增益A=-RF/R1，输入电阻Ri=R1，与反向运算放大器增益计算类似。

但实际通过画PCB电路板实验发现，由于经过三级反向器，这种放大电路的静态工作点Q非常难确定，以至于在输出端基本看不到放大，有时会有突然跳变，但十分不稳定。所以将电路稍作改进:选用一个由反向器、偏置电阻、分压电阻和负载电阻所组成的放大模块，把每一级放大模块都调整到静态工作点，再将其级联到一起。

这里需要说明的是，PSpice软件中的7 404只能体现其数字特性，内部结构并非真正MOS管，所以此处根据CMOS反向器的电路结构，用一个P沟道VTP和一个N沟道VTN增强型MOS晶体管按互补方式联接成所需反向器。实际电路中所使用的芯片是74LVC04，工作电压为3.3 V。分压电阻分别为4.7 MΩ、5.1 MΩ、2.1 MΩ(经反复试验得出的最佳电阻组合)。如图5所示的三级放大模块的级联，每级都有3倍多的放大，用OrCAD PSpice软件进行仿真［8］图6给出了输入和每级输出的波形。图中输入信号为50 mV(绿色波形)，经三级放大后输出信号(黄色波形)幅度为1 V，放大20倍左右，达到预期目的。

图5 三级放大模块的级联电路

图6 使用Pspice仿真出的输入及各级输出波形

2.3 系统整体实现

本文所设计的FSK调制解调收发电路如图7所示，左上角部分为接收电路，由于本电路要传输经H.264视频压缩算法处理的数字信号，其传输速率最高达400 kbit/s，根据此速率选频网络将中心频率选在20 MHz左右，带宽为3 MHz(本电路的晶振为外接的150 MHz晶振，经分频法调制后载波频率为18.75 MHz和21.4 MHz，要满足已调信号在接收电路选频范围内);右上部分为5 V到3.3 V的电压转换电路，使用芯片AS1117;左下部分为CPLD芯片的连接，实现了FSK的调制解调，管脚19是用程序生成的一段随机代码，将其连接到管脚21作为基带信号databasein，管脚75是调制信号fskout，管脚99是由接收电路传来的已调信号fskmoduout，管脚20为经CPLD解调后的解调信号fskdemoduout，本系统还使用了JTAG接口对可编程逻辑器件的在线编程功能;图的右下部分为发射电路，其电感电容是与接收电路相对应的。

图7 系统整体电路原理图和PCB图

无线模块与进行视频压缩的DSP之间的通信采用SPI接口协议，可以实现与处理器的高速数据传输。

3 实验结果分析

整 个 设 计 使 用 VHDL 语 言［9］编 写，以EPM570T100C5为程序下载的目标芯片，在QuartusⅡ软件平台上进行程序编写后仿真，可得到如图8所示的波形图。其中:clk1为150 MHz输入主时钟信号，载波f1和f2分别是通过对clk1的7分频和8分频得到的，分别为21.4 MHz和18.75 MHz。fskout为 basedatain 基带信号［10，11］经过 FSK 调制后的已调信号，fskdemoduout为fskout经过FSK解调器后的解调信号。从图中可以看出，输出信号fskdemoduout有延迟，但解调出的波形与基带信号一致。由于时钟频率很高，解调时与原载波相位不一致所造成的误差可忽略不计。

图8 系统仿真波形

在硬件测试中，时钟频率由出clk1输入，输入信号由程序迭代出一个 fthree信号［12］，同时引入fskmoduout作为解调系统的输入，将fskout设为调制系统的输出，这样就可以实现两块板子的无线收发电路。图9是用20 MHz模拟示波器GOS-622G看到的输入输出波形，上面为输入波下面为输出波，由图看出与仿真结果一致。

图9 测试板的输入输出波形

4 结束语

本文设计的基于无人机视频信号的收发电路系统，从实验和测试结果看，用VHDL程序实现的调制解调效果较理想，而且电路结构简单，大大降低了系统电路的复杂度;接收电路中使用CMOS反向器构成的放大电路级联模块，并加了一级晶体管放大使电路具有一定的驱动能力，同时也提高了电压增益，实用性较高。

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