信號(hào)調(diào)制度測(cè)量裝置的研制

劉星，徐偉，夏宇辰，何純生

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京，210044）

0 引言

所謂信號(hào)的調(diào)制，就是把攜帶著一些信息的信號(hào)，“調(diào)制”到載波信號(hào)上去；而所謂的信號(hào)的解調(diào)，就是把信號(hào)從載波上恢復(fù)出原始的信號(hào)。信號(hào)調(diào)制的目的，是把需要傳輸?shù)脑夹畔⒃跁r(shí)域、頻域，或者碼域上進(jìn)行處理，以達(dá)到用盡量小的帶寬傳輸盡量多的信息。

隨著社會(huì)信息化腳步的不斷加快，對(duì)于信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的需求也在不斷地加大，在一些中小規(guī)模的信號(hào)接收裝置中往往需要一種簡(jiǎn)單便捷的信號(hào)解調(diào)方案，而目前的大部分解調(diào)方案采用同步解調(diào)，例如在信號(hào)接收機(jī)中常采用的混頻器與FPGA 的實(shí)現(xiàn)方案，采用混頻器將接收到的信號(hào)下變頻至中頻，由FPGA 解調(diào)中頻信號(hào)。其電路需要實(shí)現(xiàn)載波同步，電路較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，成本較高；在另一種方案中采用單片機(jī)外接高速ADC 的方案，同樣存在成本較高，軟件較難實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

基于鎖相環(huán)芯片NE564 和二極管檢波電路所設(shè)計(jì)一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本的AM/FM 解調(diào)裝置。對(duì)于AM 信號(hào)，采用前級(jí)放大調(diào)理后通過(guò)二極管檢波的方式進(jìn)行AM 信號(hào)的解調(diào)，對(duì)于FM 信號(hào)，采用基于NE564 的鎖相環(huán)芯片實(shí)現(xiàn)FM 信號(hào)的解調(diào)，不需要恢復(fù)本地載波，并且具有較強(qiáng)的抗噪聲性能，通過(guò)一系列測(cè)試獲得了理想的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了解調(diào)信號(hào)的要求，從而證實(shí)了本裝置的實(shí)用與易用的特性。

1 系統(tǒng)總體方案

信號(hào)源輸出信號(hào)的測(cè)量與解調(diào)要求控制器具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的控制能力。ST 意法半導(dǎo)體公司研發(fā)的STM32F103ZET6 單片機(jī)具有72MHz CPU 的速度和高達(dá)1MВ 的閃存、軟核ARMCortex-M332 位閃存微控制器，工作時(shí)具有低功率、低電壓，并結(jié)合了實(shí)時(shí)功能的極佳性能。非常適合信號(hào)源輸出信號(hào)調(diào)制度等參數(shù)的測(cè)量與開(kāi)發(fā)。

整機(jī)系統(tǒng)以STM32F103 單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)搭配包絡(luò)檢波電路和NE564 解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)已調(diào)波的解調(diào)，系統(tǒng)將輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后分別接入AM 模塊和FM 模塊，通過(guò)ADC 的雙通道采集進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的分析計(jì)算進(jìn)而比對(duì)出AM/FM 波和未調(diào)載波。測(cè)量結(jié)果將在LCD 顯示屏上顯示，同時(shí)如果系統(tǒng)檢測(cè)到安卓手機(jī)終端在線的話，還將把測(cè)試結(jié)果通過(guò)WiFi 傳輸至手機(jī)端顯示。系統(tǒng)的啟停、參數(shù)的設(shè)置可以通過(guò)功能按鍵設(shè)置，也可通過(guò)連接手機(jī)終端進(jìn)行操作。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路，主要的硬件模塊包括加法器電路、放大器電路、包絡(luò)檢波電路、FM 解調(diào)電路以及串口屏模塊，ESP8266 WiFi 模塊。

■2.1 三路加法器模塊

加法器電路，在信號(hào)中加入一個(gè)直流偏置電壓，使得信號(hào)進(jìn)行一個(gè)整體的抬升，三路加法器的電路設(shè)計(jì)如下，三路加法電路如圖2 所示。

圖2 三路加法器電路

從電源分壓取直流信號(hào)，通過(guò)加法器電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電平抬升功能，加該圖為同相加法器電路，同相加法器一般原理圖如圖3 所示。

圖3 同相加法器原理圖

這是一個(gè)加權(quán)加法器，對(duì)應(yīng)輸入電阻越大，該路的輸入信號(hào)權(quán)重越小，當(dāng)同相端電阻并聯(lián)等于反相端電阻時(shí)，電路的輸出公式如下：

■2.2 OPA690 放大器模塊

采用OPA690 構(gòu)成的高速放大器模塊，OPA690 對(duì)單位增益穩(wěn)定有很大作用，電壓反饋運(yùn)放。用單電源+5V 供電，OPA690 能驅(qū)動(dòng)一個(gè)1V 到4V 輸出擺動(dòng)，以及150mA 驅(qū)動(dòng)電流，150MHz 帶寬。其帶寬特性非常適用于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。OPA690 放大器模塊對(duì)信號(hào)發(fā)生器的高速小信號(hào)進(jìn)行放大后以方便后級(jí)的信號(hào)處理。

■2.3 下變頻電路設(shè)計(jì)

信號(hào)接收端選用混頻器AD607 和高頻鎖相環(huán)NE564，AD607 內(nèi)部帶有自動(dòng)增益控制(AGC)，與外部電容配合構(gòu)成的AGC 回路可以保持輸出幅值穩(wěn)定。接收端先用AD607。

信號(hào)與有源晶振產(chǎn)生的50MHz 本振信號(hào)進(jìn)行混頻，然后用一個(gè)中心頻率為1.5MHz 的無(wú)源濾波器濾除多余頻帶，下變頻電路如圖4 所示。

圖4 下變頻電路

■2.4 解調(diào)電路設(shè)計(jì)

下變頻電路將信號(hào)載波頻率降至1.5MHz 后，輸入到鎖相環(huán)NE564 中進(jìn)行解調(diào)。電路如圖5 所示。

圖5 解調(diào)電路

■2.5 包絡(luò)檢波電路設(shè)計(jì)

大信號(hào)檢波和二極管整流的過(guò)程相同。輸入信號(hào)為正并超過(guò)和上的時(shí)，二極管導(dǎo)通，信號(hào)通過(guò)二極管向充電，此時(shí)隨充電電壓上升而升高。當(dāng)下降且小于時(shí)，二極管反向截止，此時(shí)停止向充電，通過(guò)放電，隨放電而下降。該電路可以很好地解調(diào)AM 信號(hào)，并且通過(guò)跟隨器后進(jìn)行送給單片機(jī)進(jìn)行ADC 采樣。包絡(luò)檢波電路如圖6 所示。

圖6 包絡(luò)檢波電路

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主要模塊程序設(shè)計(jì)

FM 解調(diào)分析與計(jì)算：

采用混頻器下變頻，得到低頻FM 信號(hào)，并由集成鎖相環(huán)芯片進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)時(shí)，根據(jù)中心載波頻率，合理設(shè)置用于控制頻率的電容的參數(shù)，關(guān)系式為：

其中，C1為外部電容，Cs為雜散電容，Rc=100Ω。

載波和調(diào)制信號(hào)分離分析與計(jì)算：

使用FIR 濾波器，將解調(diào)得到的基帶信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波得到頻帶為1Hz～10kHz 的調(diào)制信號(hào)直接示波器輸出。

解調(diào)頻漂處理分析與計(jì)算：

解調(diào)電路采用鎖相環(huán)，能夠自適應(yīng)信號(hào)源載波頻率的漂移。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。鑒相器檢測(cè)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，關(guān)系式為：

通過(guò)環(huán)路濾波器得到u(D)的差頻成分uc(t)，控制壓控振蕩器的輸出頻率，當(dāng)uc(t)為定值時(shí)，相位被鎖定。在接收機(jī)的調(diào)頻電路中，鎖相環(huán)能夠跟蹤FM 信號(hào)的載波頻率變化，能夠成功解調(diào)信號(hào)。

■3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

STM32 控制多路開(kāi)關(guān)的通道開(kāi)關(guān)，當(dāng)按下AM 模式按鈕選擇，只打開(kāi)通道A，通過(guò)STM32 進(jìn)行ADC 采樣測(cè)出幅度的最大值Max 和最小值Min。調(diào)幅度可根據(jù)公式：

當(dāng)按下FM 模式按鈕選擇，只打開(kāi)通道В,ADC 采樣檢測(cè)峰峰值，由公式(5)計(jì)算頻偏：

程序流程圖如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

4 數(shù)據(jù)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)試性能，對(duì)AM 波與FM 波進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)信號(hào)源輸出信號(hào)為電壓峰峰值100mV 的普通單音調(diào)幅(AM)電壓，其載頻為10MHz、20MHz、30MHz、調(diào)制信號(hào)為頻率1kHz，5kHz，10kHz 的正弦信號(hào)，觀察示波器和顯示屏結(jié)果。此為AM 波信號(hào)調(diào)幅測(cè)試方案。如表1 所示。

表1 AM信號(hào)輸入測(cè)試結(jié)果表

關(guān)于調(diào)幅度測(cè)試方案：在不同的調(diào)制信號(hào)基礎(chǔ)上改變深度測(cè)量調(diào)幅度。當(dāng)被檢測(cè)到的信號(hào)源輸出信號(hào)為電壓峰峰值100mV 的單音調(diào)頻（FM）電壓，其載頻為10MHz、調(diào)制信號(hào)為頻率3～5kHz 的正弦信號(hào)。解調(diào)后波與示波器相連，觀察波形及其頻率。并接入單片機(jī)，觀察串口屏信息。如表2 所示。

表2 FM信號(hào)輸入測(cè)試結(jié)果表

通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到如下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)測(cè)得的調(diào)幅度/調(diào)頻度與理論值相差在10%以內(nèi)，載波帶寬可達(dá)到40MHz。基波變化頻率在1kHz 以上誤差伴隨減少，因?yàn)橄到y(tǒng)的采樣點(diǎn)數(shù)一定頻率越大采得的周期越多。

（2）系統(tǒng)采用頻譜搬移具有穩(wěn)定的測(cè)量精度。采用頻譜搬移顯著地降低了采樣點(diǎn)數(shù)和時(shí)鐘頻率的要求，使得精度在誤差限制在100Hz 上。這為系統(tǒng)的測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

（3）系統(tǒng)采用等精度方法測(cè)量脈沖的頻率，保證了在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)測(cè)量的相對(duì)誤差與信號(hào)的頻率大小無(wú)關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)充分結(jié)合STM32 單片機(jī)實(shí)時(shí)性能高、控制靈活的特點(diǎn)和多模塊聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了信號(hào)快速采集、處理、測(cè)量、調(diào)理、解調(diào)、傳輸、顯示的高度集成，對(duì)信號(hào)源輸出信號(hào)多種參數(shù)檢測(cè)和識(shí)別顯示有著重大意義與研究?jī)r(jià)值。

系統(tǒng)采用基于鎖相環(huán)芯片NE564 和二極管檢波電路所搭建的一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且低成本的適用于小型信號(hào)接收機(jī)的AM/FM 解調(diào)裝置，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的調(diào)理，AM/FM 的解調(diào)、采集、處理及顯示，解決了現(xiàn)有測(cè)量裝置存在的高成本，復(fù)雜程度高的問(wèn)題，為信號(hào)的解調(diào)裝置提供了一種簡(jiǎn)便的解決思路。

由于本系統(tǒng)依賴于硬件電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)出于對(duì)本系統(tǒng)的便攜性考慮，在電磁屏蔽和抗干擾方面需要進(jìn)行更精細(xì)的設(shè)計(jì)。另外，如何對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)也是值得思考的問(wèn)題。