基于STM32的調幅信號接收實驗系統設計

儲開斌， 江 楠， 馮成濤， 朱飛翔

(常州大學 信息科學與工程學院， 江蘇 常州 213016)

0 引 言

為幫助電子信息專業學生掌握無線通信技術的原理及應用，設計了一個調幅信號接收實驗系統，以便學生掌握相關知識，提高工程應用及實踐動手能力[1-2]。調幅是通信系統常用的調制方式之一，它是將低頻信號調制到高頻載波信號的幅度上，屬于頻譜搬移過程，傳統中短波廣播系統常采用該技術[3-4]。解調是從調制信號中將低頻信號還原出來的過程，調幅信號的解調稱為檢波，是調制的逆過程[5]。

針對調幅系統在工程中的應用，本文完成基于STM32單片機的調幅信號接收實驗系統的硬件、軟件設計，實現了50～300 MHz調幅信號的接收與解調，系統在輸入信號有效值從10 μV～1 mV間變化時(文中涉及信號電壓均為有效值)，解調輸出信號保持在(1±0.1) V。

1 實驗系統方案設計

基于STM32單片機的調幅信號接收機主要組成部分包括：高頻低噪聲放大、本機振蕩、混頻、中頻濾波與放大、解調、基帶放大及控制電路等部分組成。系統結構如圖1所示。

圖1 調幅接收系統框圖

系統工作原理：天線接收到空中無線電波，經選頻電路選擇出頻率為50～300 MHz的調幅信號，由于該信號最小僅為10 μV，所以將該信號經低噪聲放大器放大后送到混頻器中與本振信號進行混頻。本振信號由鎖相環信號發生器ADF4351產生，由STM32控制其振蕩頻率，使其比輸入信號高10.7 MHz，并送到混頻器。混頻器將兩信號混頻后得到兩輸入信號的和頻與差頻信號，其中10.7 MHz差頻信號被中頻濾波選擇出來，交由中頻放大器進行電壓放大。中頻放大器可根據輸入信號的大小調節電壓放大倍數，使解調后輸出信號幅度穩定。經中頻放大后的信號經解調電路還原出原調制的低頻基帶信號，經基帶放大電路放大后輸出。為保證輸出信號的穩定，系統將輸出信號經精密整流后得到與幅度成比例關系的直流量，經STM32內A/D電路采集，STM32單片機經過對采集的數據進行比較，控制中頻放大器放大倍數，實現自動增益的控制[6]。

2 實驗系統硬件設計

本系統硬件設計主要包括低噪聲信號放大、本振、混頻、中頻放大、解調、基帶放大及單片機系統等。

2.1 低噪聲放大電路設計

通過天線接收到調幅信號的有效值僅為10 μV～1 mV，輸入信號較小，為防止電路噪聲對有用信號的影響，采用射頻低噪聲集成放大器PSA-545作為前級電壓放大。PSA-545帶寬為50 MHz～4 GHz，噪聲系數僅為0.8 dB，增益可達20 dB，具有良好的高頻特性。為提高信噪比，低噪聲放大器采用兩級PSA-545組成，增益為40 dB。經低噪聲放大后，輸出信號可達到1～100 mV，電路如圖2所示。

圖2 低噪聲放大電路

2.2 混頻電路設計

高頻電壓放大電路在對不同頻率信號進行電壓放大時，其電壓放大倍數也不一樣。為保證輸入信號頻率在50～300 MHz范圍內變化時，輸出信號電平波動較小，通常將輸入信號變換成固定的中頻信號進行處理，本實驗中，中頻信號頻率為10.7 MHz。

混頻電路可將輸入不同頻率的信號變換成固定中頻，電路如圖3所示。實驗系統采用AD834模擬乘法器實現。AD834是寬帶、高速的四象限模擬乘法器，最高工作頻率為500 MHz，在乘法工作模式下，其滿幅度誤差僅為0.5%。利用AD834將經過低噪聲放大器后的調幅波信號與本振源產生的本振信號相乘，完成混頻過程。本振信號源選用數字鎖相環芯片ADF4351。ADF4351是新款鎖相環，內置壓控振蕩器，

圖3 混頻電路

頻率輸出范圍為35～4 400 MHz[7]。該芯片由STM32單片機控制，可實現自動掃頻、手動掃頻或者預置頻率選擇等功能，步進最小可達1 kHz。圖3中，輸入信號由AD834的Y1輸入，本振信號由X1輸入，混頻后的信號經U2(陶瓷濾波器)進行濾波，得到10.7 MHz中頻信號輸出。

2.3 中頻放大電路設計

經混頻后得到的中頻信號達不到檢波電路所需的幅度。同時，由于輸入信號幅度變化范圍較大，為保證輸出信號不產生失真，中頻放大電路需具備自動增益控制功能。VCA821是可控制增益放大電路，VCA821 可實現數字自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)，調節范圍大于 40 dB[8]，電路如圖4所示。STM32單片機內部D/A產生的增益控制信號通過P1接口送到VCA821的2腳，中頻輸入信號送到VCA821的3腳，經增益調節后，經P6輸出。

圖4 中頻放大電路

2.4 檢波電路設計

檢波電路用于從調幅波中將低頻調制信號解調出來。常見的調幅解調有大信號包絡檢波、同步檢波等。大信號包絡檢波具有電路結構簡單、成本低及工作穩定等特點。本實驗采用大信號包絡檢波電路實現，電路如圖5所示。D1為檢波二極管，R1、C3組成高頻濾波電路，檢波后的低頻調制信號經C2耦合輸出[9-11]。

圖5 檢波電路

2.5 精密整流電路設計

為實現輸出低頻信號幅度的穩定，本實驗系統將輸出低頻信號進行精密整流，得到與輸出信號幅度成比例的直流信號，并將該直流信號經放大后，送到STM32單片機的A/D輸入端。單片機對該直流信號幅度進行檢測，判斷輸出信號幅度，從而調節中頻放大電路的增益，使輸出低頻信號穩定在(1±0.1) V。電路如圖6所示。

3 系統軟件設計

本系統軟件主要用于系統本振信號頻率控制、自動增益控制及輸出信號幅度指示等。系統采用C程序編程，工作流程如圖7所示。

圖6 精密整流電路

圖7 系統軟件流程

系統啟動后，先對本振、自動增益控制等進行初始化，并顯示當前本振頻率及測量得到的輸出信號幅度。然后系統檢測是否有按鍵按下，根據按鍵狀態，對本振信號頻率進行設置，使本振信號頻率高于需接收的輸入信號10.7 MHz。同時，系統通過A/D采集經精密整流后得到的輸出信號，判斷輸出信號大小。當信號超過(1±0.1) V時，通過D/A輸出直流信號，控制中頻放大器VCA821的電壓增益，使其電壓放大倍數下降，而當輸出電壓低于(1±0.1) V時，則使中頻放大器電壓放大倍數增加，從而保證輸出信號幅度在設定的范圍以內。

4 實驗結果

由于系統接收的信號幅度小、頻率高，采用通用板搭建電路，有可能會使電路無法正常工作，所以本實驗使用Altium Designer繪制原理圖，并根據原理圖制作PCB。在電路設計中，為減少分布參數的影響，采用尺寸較小的貼片元件[12]。

電路實驗中，調節射頻信號發生器使其產生載波頻率為250 MHz，調制信號頻率為5 kHz的調幅波，調整輸出信號幅度，使其在50 Ω阻抗下電壓幅度為50 mV，該信號再經20 dB衰減器衰減，輸出信號約為5 mV。通過按鍵設置本振信號頻率為260.7 MHz，經混頻后得到10.7 MHz中頻信號，該信號再經檢波得到低頻調制信號，最后經基帶放大輸出[13-15]。用示波器觀察輸入、本振、中頻及輸出解調信號波形如圖8所示。

(a) 輸入250 MHz調幅波信號

(b) 260.7 MHz本振信號

(c) 10.7 MHz中頻信號

(d) 輸出5 kHz解調信號

5 結 語

調幅接收系統是無線通信技術的重要內容之一，由于處理的信號頻率高，電路分布參數影響大，仿真實驗中能實現功能及技術指標的電路在搭建實際電路時往往不能正常工作。基于STM32的調幅接收機實驗電路在課程設計中成功實施，既可使學生將所學的理論知識與實踐相結合，更好的理解理論知識，又可讓使學生掌握工程實踐知識，培養學生的工程實踐能力。同時，在實際電路的調試中，培養學生分析問題及解決問題的能力，達到工程教育認證對學生培養的標準要求。