-95dBm 撞上 500mA？2025 电赛 F 题国一靠这颗 20mA 芯片双杀（2026-08-10）

副标题：电赛每日一题 · 第 4 期 ｜ 今日拆解：2025 年 F 题 简易自动接收机

📌 一、赛题速览与难点剖析

一、原题再现

任务：设计并制作一台简易自动接收机，自动搜索并接收 88 MHz ~ 108 MHz 频率范围内的调频或调幅信号。接收信号由射频信号源产生，载波频率调节步进 100 kHz，调制信号频率范围 300 Hz ~ 3400 Hz。接收机输出端接 8 Ω 负载电阻，自动识别调制方式并解调输出信号，用示波器观察应无明显失真。

基础要求：

发挥部分：

说明：

▸ 射频信号源载波电平范围 −85 dBm ~ −60 dBm；接收机输入端采用 SMA 母座接口，50 Ω 电缆连接；输出接 8 Ω 负载（引腿裸露便于示波器测量）；

▸ 响应时间指射频信号源输出开关开启后，接收机搜索解调输出稳定解调信号的时间；

▸ 按键启动接收机，自动搜索接收指定频率范围内的信号；

▸ 发挥部分整机必须采用具有"恒流/恒压"模式自动切换的直流电源单电源供电（5 V，最大供电电流 500 mA），工作时供电电流 ≤ 500 mA；只用一个端口输出解调信号；一键启动后自动完成全部功能并显示结果，不得人为操控；

▸ 接收机应采取屏蔽措施抑制空间干扰。

评分标准（速览）：

判分关键解读：

▸ 基本要求占 50 分，是及格线：FM/AM 接收各 15 分是核心，幅度自动控制和响应时间各 10 分；前两项任意丢一项就基本告别国奖；

▸ 发挥部分占 50 分，拉开档次的关键：调制识别 (23 分) 是最容易拿满的——只要自动扫频 + 双通道检波判别就够；灵敏度 (−95 dBm, 12 分) 是技术高地，决定能不能进国一；5 s 响应 (10 分) 需要软硬件协同优化；其他 (5 分) 看创新点；

▸ 设计报告 20 分看似不多，但电赛评分时报告分由专家组独立打分，写得专业、规范、数据完整的报告可额外争 2~3 分——这是性价比最高的"白送分"。

一.五、题目工程背景

这道 F 题看似是"做个收音机"，其实是一道完整的射频接收链路工程训练题——它在 4 天 3 夜里，把同学们逼着走完一遍真实无线接收机的全流程：天线 → 低噪放 → 混频 → 中频处理 → 解调 → 音频输出 → AGC → 主控算法 → 整机低功耗。

为什么出这道题？电赛出题组的潜台词：射频接收是电子信息工程的"皇冠方向"之一，国内每年缺口巨大（雷达、卫星、5G/6G、卫星互联网、应急通信），但本科生在学校里基本摸不到实物。这道题把真实射频工程师的"低噪放设计 + 混频器选择 + 中频滤波 + 解调链路 + AGC 闭环 + 整机功耗预算"全部浓缩在 4 天里，逼着学生把理论课上学过的"噪声系数"、"灵敏度"、"镜像频率"这些抽象概念落到板子上、量到波形上。

对备赛同学的启示：

▸ 不要选那些"软件为主"的题目来逃避射频训练——这道题是少数能让你在本科阶段接触真实射频链路的题目；

▸ 即使你最后选了别的方向（电源/控制），这道题的"低噪放设计 + AGC 闭环 + 整机功耗预算"思路也会反哺你做电源题（电源题里 AGC 思想和模块化供电思路完全通用）。

一.六、大白话版解读

这个题到底要做什么？

想象你 1995 年那会儿想造个"智能收音机"——你按下电源键，机器自己开始扫频（从 88 MHz 一路跳到 108 MHz），找到信号后还要自己判断"哦这是 FM 调频的"还是"这是 AM 调幅的"，然后自己解调出音频信号，让示波器看到一个漂亮的 1 kHz 正弦波——而整个机器只能用一根 5 V 电源线供电，整机电流还不能超过 500 mA。

对比传统收音机 vs 本题：

系统模块人话版：

硬骨头分级（按难度）：

▸ 🟢 绿骨头（基础要求）：FM/AM 解调、AGC 闭环、响应时间 ≤ 10 s —— 选对芯片 + 经典电路就行；

▸ 🟡 黄骨头（发挥及格）：自动扫频 + 调制方式识别 —— DSP/算法活儿，选 NE564 + 二极管检波就能区分；

▸ 🔴 红骨头（国一关键）：−95 dBm 灵敏度、5 s 响应时间、≤ 500 mA 整机功耗 —— 这是真正拉开档次的三个指标，三者必须同时搞定才有可能拿国一。

一.七、核心指标速查表

一.八、最大卡脖子难点

把这道题做砸的队伍，90% 是栽在下面三个"卡脖子点"上：

卡点 1：−95 dBm 灵敏度卡死 70% 的队伍

−95 dBm 是什么概念？≈ 10 μV 的射频电压——你把一根 1 米的天线架在空中，感应到的噪声电平就已经是 −100 dBm 量级了。换句话说，你要从"几乎和噪声一样大的信号"里把音频解出来。

▸ 失败模式：直接用 RDA5807 / TEA5767 这种集成芯片——它们便宜、好用，但灵敏度只到 −90 dBm 量级，发挥要求的 −95 dBm 直接做不出来；

▸ 正确做法：必须用分立超外差结构——两级 LNA（32 dB + 20 dB）先把信号抬到 0 dBm 量级，再混频到 10.7 MHz 中频走陶瓷滤波器，再做解调。这是国一和国二的分水岭。

卡点 2：500 mA 整机电流限制，逼着你做"模块化供电"

如果你用了 AD9361 软件无线电方案，光射频前端就吃 1 A 以上——直接 5 V/500 mA 单电源启动就过流保护。

▸ 失败模式：把所有模块全上电，电流 800 mA+ → 触发电源限流 → 系统反复重启；

▸ 正确做法：继电器分段供电——AM/FM 解调模块默认下电，识别到对应调制后才上电；MCU 控制继电器按需供电。国一队实测整机电流稳在 500 mA 以内。

卡点 3：5 s 响应时间 —— 扫频速度 + 识别延迟 + AGC 收敛

题目要求 5 s 内完成"信号源开启 → 扫频 → 找到信号 → 判别调制 → 解调输出稳定 1 Vpp"。这道题在 88~108 MHz 频段有 200 个 100 kHz 频道，每个频道停留 25 ms 才能 5 s 扫完——但 25 ms 内必须完成"中频建立 + 调制识别 + 继电器切换 + AGC 收敛 + 解调输出"，时间窗口极紧。

▸ 失败模式：扫频慢 + 切换慢 + AGC 慢叠加 → 实际响应 8~10 s，发挥要求 (3) 直接丢 10 分；

▸ 正确做法：本振用 ADF4351 / SI4351 等快速跳频锁相环（< 1 ms 锁定）+ 双通道同时检波（不用扫到哪个频道停哪个）+ 识别算法要在 10 ms 内出结果（用单片机 ADC 采样 1024 点 FFT，10 ms 跑完）。

官方原理图（本题未提供示意图，用文字框图替代）：

注：官方 PDF（2025_F题_简易自动接收机.pdf）只包含任务说明和评分表，没有官方原理图——本题的"官方原理图"一节用上述文字框图替代。详细的硬件电路拆分见 📌 第五节参考设计方案。

🛠️ 二、官方推荐/主流硬件方案（原理图级拆解）

2.1 系统整体框图

2.2 主电路拓扑结构

超外差二次变频结构：

为什么选这个拓扑？

▸ 为什么用超外差而不是零中频？——零中频（直接变频到基带）虽然集成度高，但有直流偏置、I/Q 失配、本振泄漏等问题；超外差把 RF 拉到固定中频（10.7 MHz 是 FM 广播工业标准），中频处理用成熟的陶瓷滤波器，性能稳定；

▸ 为什么中频选 10.7 MHz？——10.7 MHz 是 FM 广播接收机的工业标准中频，村田/Toko 的陶瓷滤波器便宜成熟；镜像频率 = RF − 2×IF = 88 − 21.4 = 66.6 MHz，远离 RF 频段 21 MHz，镜像抑制简单（一级带通即可）；

▸ 为什么 LNA 用两级而不是单级 52 dB？——单级 52 dB 太容易自激，且噪声系数反而恶化；两级 32+20 = 52 dB 总增益，单级 NF 控制好，整体 NF 优于单级；

▸ 为什么 AD608 而不是 AD831？——AD831 性能更好（低失真、宽动态范围），但工作电流 100 mA+，整机预算 500 mA 里塞不下；AD608 集成了"混频器 + 限幅放大器 + RSSI"，工作电流仅 20 mA，对低功耗设计是神器。

2.3 核心元器件选型推荐

选型思路（教练视角）：

▸ 不要选 RDA5807 / TEA5767 这类集成芯片——它们是消费级 FM 收音机芯片，集成度虽高但灵敏度只到 −90 dBm，发挥要求 −95 dBm 必败；

▸ 不要选 AD9361 / AD9364 这种宽带 SDR 芯片——它们覆盖 70 MHz~6 GHz，性能炸裂，但单芯片功耗 1~2 W，5V/500 mA 根本塞不下；

▸ 不要选 ADF4351 当主本振——它虽然是经典宽带 PLL，但功耗 100~150 mA，整机预算吃紧；SI4351 更省；

▸ NE564 是古董但请珍惜——这颗 1980 年代的 PLL 鉴频芯片在 FM 解调上无可替代，比你写数字 PLL 算法稳定 10 倍，且一颗 ¥3 包邮。

💻 三、软件控制架构与核心算法（代码级拆解）

3.1 控制闭环逻辑

整个接收机有 三个闭环同时工作：

3.2 核心算法伪代码

3.2.1 本振扫频算法（SI4351 控制）

/* SI4351 锁相环扫频控制 */#define RF_START    88000000UL   /* 88 MHz */#define RF_STOP     108000000UL  /* 108 MHz */#define IF_FREQ     10700000UL   /* 10.7 MHz 中频 */#define STEP_HZ     100000UL     /* 100 kHz 步进 */#define DWELL_MS    25           /* 每频道停留 25 ms（5 s 全扫） */
uint32_tlocal_osc_freq(uint32_t rf_freq) {/* 本振频率 = 目标 RF + 中频 (高中频方案,镜像抑制更稳) */return rf_freq + IF_FREQ;}
voidsi4351_set_freq(uint32_t freq_hz) {/* SI4351 SPI 写频率字 - 简化伪代码 */uint16_t freq_int = freq_hz / 10000;   /* 10 kHz 分辨率 */uint8_t  frac    = (freq_hz % 10000) / 100;
    spi_write_reg(0x05, (freq_int >> 8) & 0xFF);  /* MSB */    spi_write_reg(0x06, freq_int & 0xFF);          /* LSB */    spi_write_reg(0x07, frac);/* 触发更新 */    spi_write_reg(0x08, 0x01);}
voidscan_rf_band(void) {uint32_t rf = RF_START;while (rf <= RF_STOP) {        si4351_set_freq(local_osc_freq(rf));   /* 设置本振 */        delay_ms(2);                            /* 等待锁相环锁定 < 1 ms */
if (ad608_rssi() > THRESHOLD) {         /* RSSI 高 = 有信号 */            detect_modulation(rf);             /* 调用调制识别 */return;                              /* 找到信号,退出扫描 */        }        rf += STEP_HZ;    }}

3.2.2 调制方式识别算法（双通道检波 + 简易频谱）

/* 双通道同时检波,识别 FM/AM/CW */typedefenum { MOD_CW = 0, MOD_AM, MOD_FM } modulation_t;
modulation_tdetect_modulation(uint32_t rf_freq) {/* AM/FM 两个通道同时上电 */    relay_on(RELAY_AM);    relay_on(RELAY_FM);    delay_ms(5);  /* 模块稳定 */
/* 用 ADC 采样两个通道检波输出 */uint16_t am_buf[1024], fm_buf[1024];for (int i = 0; i < 1024; i++) {        am_buf[i] = adc_read(ADC_AM_DETECT);        fm_buf[i] = adc_read(ADC_FM_DETECT);    }
/* 计算交流分量（RMS）和直流分量 */float am_dc = mean(am_buf, 1024);float am_ac = rms_ac(am_buf, 1024, am_dc);float fm_dc = mean(fm_buf, 1024);float fm_ac = rms_ac(fm_buf, 1024, fm_dc);
modulation_t result;/* 判别规则 */if (am_ac > AM_THRESHOLD && fm_ac < FM_THRESHOLD) {        result = MOD_AM;       /* AM 通道有音频,FM 通道没有 → AM */    } elseif (am_ac < AM_THRESHOLD && fm_ac > FM_THRESHOLD) {        result = MOD_FM;       /* FM 通道有音频,AM 通道没有 → FM */    } elseif (am_ac < AM_THRESHOLD && fm_ac < FM_THRESHOLD) {        result = MOD_CW;       /* 两路都没有音频 → 单频载波 CW */    } else {/* 双通道都有信号 - 可能是强信号导致限幅失真 */        result = MOD_FM;       /* 默认选 FM (限幅后两路都可能有输出) */    }
/* 关闭不需要的模块以省电 */if (result == MOD_AM)  relay_off(RELAY_FM);if (result == MOD_FM)  relay_off(RELAY_AM);if (result == MOD_CW) {        relay_off(RELAY_AM);        relay_off(RELAY_FM);    }return result;}

3.2.3 输出 AGC 闭环（VCA821 DAC 控增益）

/* VCA821 输出幅度自动控制到 1V ± 0.1V */#define TARGET_VPP    1.0f     /* 目标输出峰峰值 1 V */#define VPP_TOLERANCE 0.1f     /* 容许 ±0.1V */#define DAC_MAX       4095     /* 12-bit DAC */#define VCA_GAIN_MAX  15.0f    /* VCA821 最大 15 倍 (33 dB) */
voidoutput_agc_loop(void) {/* 二极管检波输出直流电压 ≈ 输出 Vpp */uint16_t detect_dc = adc_read(ADC_VCA821_OUTPUT_DETECT);float vpp = detect_dc * 3.3f / 4096.0f * 2.0f;  /* 12-bit ADC → V */
if (fabsf(vpp - TARGET_VPP) < VPP_TOLERANCE) {return;  /* 已经达标,不需要调整 */    }
/* 简单比例控制 */staticfloat last_dac = 0;float gain_set = TARGET_VPP / (vpp + 0.001f);  /* 防止除 0 */if (gain_set > VCA_GAIN_MAX) gain_set = VCA_GAIN_MAX;
/* VCA821 增益 ≈ 10^(Vg/0.667) V (Vg 单位 V,范围 0~2V) */float vg = log10f(gain_set / 0.04f) * 0.667f;  /* 0.04 = VCA821 最小增益 */if (vg < 0) vg = 0;if (vg > 2.0f) vg = 2.0f;
uint16_t dac_value = (uint16_t)(vg * DAC_MAX / 2.0f);    dac_write(DAC_VCA821_CTRL, dac_value);    last_dac = vg;}

3.2.4 整机状态机

typedefenum {    STATE_INIT,         /* 上电初始化 */    STATE_SCAN,         /* 扫频 */    STATE_DETECT,       /* 调制识别 */    STATE_DEMOD,        /* 解调输出 */    STATE_AGC,          /* 输出 AGC 收敛 */    STATE_DISPLAY,      /* 显示稳定 */    STATE_DONE          /* 完成 */} system_state_t;
voidsystem_state_machine(void) {switch (system_state) {case STATE_INIT:            si4351_init();            ad608_init();            hmc624_init();            vca821_init();            oled_display("READY...");            system_state = STATE_SCAN;break;
case STATE_SCAN:if (scan_rf_band()) {  /* 找到信号返回 1 */                oled_display("FOUND %d.%d MHz", rf_freq/1000000, (rf_freq/100000)%10);                system_state = STATE_DETECT;            }break;
case STATE_DETECT:            current_mod = detect_modulation(rf_freq);            oled_display("%s @ %d.%d MHz",                          current_mod == MOD_AM ? "AM" :                          current_mod == MOD_FM ? "FM" : "CW",                         rf_freq/1000000, (rf_freq/100000)%10);            system_state = STATE_DEMOD;break;
case STATE_DEMOD:/* 解调模块已通过继电器上电,输出信号正在产生 */            delay_ms(100);  /* 等待解调输出稳定 */            system_state = STATE_AGC;break;
case STATE_AGC:            output_agc_loop();  /* 闭环调整 VCA821 增益 */if (fabsf(output_vpp - 1.0f) < 0.05f) {                system_state = STATE_DISPLAY;            }break;
case STATE_DISPLAY:            oled_display("%s %d.%d MHz | Vpp=%.2fV",                         mod_name[current_mod], rf_freq/1000000,                         (rf_freq/100000)%10, output_vpp);/* 持续监测,信号丢失则回到 SCAN */if (ad608_rssi() < THRESHOLD - 5) {                system_state = STATE_SCAN;            }break;
case STATE_DONE:break;    }}

⚠️ 四、避坑指南与学长调试心得（实战精髓）

4.1 炸板/烧管高危点

高危点 1：第一级 LNA 自激 —— 铜箔纸屏蔽

症状：把第一级 32 dB LNA 用铜箔纸包起来做屏蔽后，增益反而从 32 dB 掉到 5 dB，整机完全收不到信号。

原因：铜箔纸包裹不当形成"屏蔽盒"但没有留馈通孔——屏蔽盒相当于一个 LC 谐振腔，把 88~108 MHz 的信号反射回 LNA 输入端，与 LNA 内部反馈形成正反馈 → 自激 → 增益被锁定。

正确做法：

▸ 铜箔纸必须单点接地（用导电胶带接地）；

▸ 屏蔽盒预留 SMA 馈通（不要把 SMA 接头也包进去）；

▸ 屏蔽盒内壁贴吸波材料（淘宝"EMI 吸波材料"）；

▸ 实测发现屏蔽无效时，直接去掉第一级铜箔纸（国一队就是这么做的——实测不影响噪声系数）。

高危点 2：5 V 单电源上电浪涌击穿 AD608

症状：第一次上电 AD608 直接冒烟。

原因：5 V 直接接到 AD608 的 VCC，但 AD608 设计工作电压 3V 左右（VCC max 5.5V，但瞬态尖峰会过压），上电瞬间 dV/dt 在内部寄生电感上感应出 7~8V 尖峰，超过绝对最大额定值。

正确做法：

▸ AD608 VCC 加 100 nF + 10 μF 去耦电容（靠近电源引脚）；

▸ AD608 VCC 串联 铁氧体磁珠（淘宝贴片磁珠 0805 封装）；

▸ DC-DC 隔离电源的 输出端加软启动电路（用 NTC 热敏电阻 + MOSFET 串联，限制上电浪涌）。

高危点 3：数字衰减器 HMC624 切换瞬间冲击

症状：HMC624 切换衰减量时，AD608 输入端有 1~2 μs 的电压毛刺，偶尔导致 AD608 误触发限幅。

原因：HMC624 是 6 位数字衰减器（0.5 dB × 6 = 31.5 dB），切换时内部开关瞬态不是完全同步，有时序失配。

正确做法：

▸ HMC624 衰减控制后 delay 100 μs 再读取 RSSI；

▸ AD608 输入端加 5 pF 小电容到地（滤除毛刺）；

▸ 软件上做 RSSI 滑动平均（每 100 ms 取 10 次平均）。

高危点 4：VCA821 输出饱和导致检波器永久击穿

症状：输入信号突然变强，VCA821 输出超过 5 V，LM386 输入端过压，LM386 输出失调到 VCC 上限。

原因：VCA821 最大输出电压受 VCC 限制，VCC=5V 时最大输出约 ±3.5V；若输入信号超过 VCA821 线性区，输出饱和到电源轨，过载 LM386。

正确做法：

▸ VCA821 输出端加 肖特基二极管钳位（BAT54S 双二极管钳位到 VCC/GND）；

▸ 软件加 VCA821 输出过载保护（检测到输出饱和 → 立即增大 HMC624 衰减）。

4.2 测试调优技巧

技巧 1：用信号源预热 15 分钟再开始测试

射频信号源（Rigol DSG815 / 安捷伦 E4438C 等）刚开机时内部 VCO 频率漂移大，前 15 分钟频率稳定度 ±2 kHz——你测的"88.0 MHz"实际可能是 88.002 MHz，对 100 kHz 步进的扫频不致命，但对 FM 解调的 PLL 锁定可能有偏差。测试前先开信号源预热。

技巧 2：测试响应时间用"信号源突发模式"

题目要求"信号源开启后 5 s 内解调稳定"。测试方法：

1. 把信号源调到 Burst Mode（突发模式）或手动按 RF Output 开关；

2. 用示波器同时监测信号源 RF 输出指示（BNC 触发输出）和接收机解调输出；

3. 测量两个信号上升沿的时间差——这就是响应时间；

4. 关键：信号源的 RF Output 关掉时，载波泄漏仍有 -70 dBm 左右——这个泄漏电平足够让 AD608 的 RSSI 触发判别，但解调不出有效音频。测试时一定要真的把 RF 关掉（用信号源 Burst 模式或外加射频开关）。

技巧 3：AGC 闭环调试——"先开环后闭环"

VCA821 的 AGC 闭环如果直接接上跑，很容易振荡（DAC 调一下 → 输出跳一下 → 检波跳一下 → DAC 再调）。正确调试顺序：

1. 第一步：开环测 DAC-增益线性度——固定输入信号，手动设 DAC 值 0/512/1024/2048/4095，用示波器测 VCA821 输出，画 Vg-Vout 曲线；

2. 第二步：开环测检波器线性度——固定 VCA821 输出，用万用表测检波器 DC 输出，画 Vpp-Vdetect 曲线；

3. 第三步：闭环缓慢调试——先把闭环增益调小（比例系数 0.1），观察输出是否收敛；再逐步加大到 0.3、0.5。

技巧 4：屏蔽测试——把整机放进屏蔽盒看底噪变化

调试后期验证屏蔽效果：

1. 把整机放在桌面上，用频谱仪看 88~108 MHz 频段底噪（典型 −100 ~ −105 dBm）；

2. 把整机放入自制铜箔屏蔽盒（淘宝"屏蔽袋"或自己用 0.1mm 铜皮折盒），再测底噪；

3. 如果屏蔽后底噪没变化（仍 −100 dBm），说明屏蔽没起作用，要检查铜箔接地；

4. 如果屏蔽后底噪掉到 −110 dBm，说明你争取到了 10 dB 的灵敏度提升空间。

技巧 5：响应时间 ≤ 5 s 优化清单

实测从 8 s 压到 3 s 的 5 个优化点：

🎯 五、参考设计方案——本环节必做

参考设计：https://oshwhub.com/wh-will/mspm0g3507

5.1 系统架构与原理详解

主参考设计整体框图（文字版）：

5.1.1 AD608 混频器模块（核心）