基于STM32的調(diào)幅信號(hào)接收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)開斌， 江 楠， 馮成濤， 朱飛翔

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 常州 213016)

0 引 言

為幫助電子信息專業(yè)學(xué)生掌握無線通信技術(shù)的原理及應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)幅信號(hào)接收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以便學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)，提高工程應(yīng)用及實(shí)踐動(dòng)手能力[1-2]。調(diào)幅是通信系統(tǒng)常用的調(diào)制方式之一，它是將低頻信號(hào)調(diào)制到高頻載波信號(hào)的幅度上，屬于頻譜搬移過程，傳統(tǒng)中短波廣播系統(tǒng)常采用該技術(shù)[3-4]。解調(diào)是從調(diào)制信號(hào)中將低頻信號(hào)還原出來的過程，調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)稱為檢波，是調(diào)制的逆過程[5]。

針對調(diào)幅系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用，本文完成基于STM32單片機(jī)的調(diào)幅信號(hào)接收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了50～300 MHz調(diào)幅信號(hào)的接收與解調(diào)，系統(tǒng)在輸入信號(hào)有效值從10 μV～1 mV間變化時(shí)(文中涉及信號(hào)電壓均為有效值)，解調(diào)輸出信號(hào)保持在(1±0.1) V。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于STM32單片機(jī)的調(diào)幅信號(hào)接收機(jī)主要組成部分包括：高頻低噪聲放大、本機(jī)振蕩、混頻、中頻濾波與放大、解調(diào)、基帶放大及控制電路等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 調(diào)幅接收系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作原理：天線接收到空中無線電波，經(jīng)選頻電路選擇出頻率為50～300 MHz的調(diào)幅信號(hào)，由于該信號(hào)最小僅為10 μV，所以將該信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后送到混頻器中與本振信號(hào)進(jìn)行混頻。本振信號(hào)由鎖相環(huán)信號(hào)發(fā)生器ADF4351產(chǎn)生，由STM32控制其振蕩頻率，使其比輸入信號(hào)高10.7 MHz，并送到混頻器?；祛l器將兩信號(hào)混頻后得到兩輸入信號(hào)的和頻與差頻信號(hào)，其中10.7 MHz差頻信號(hào)被中頻濾波選擇出來，交由中頻放大器進(jìn)行電壓放大。中頻放大器可根據(jù)輸入信號(hào)的大小調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，使解調(diào)后輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定。經(jīng)中頻放大后的信號(hào)經(jīng)解調(diào)電路還原出原調(diào)制的低頻基帶信號(hào)，經(jīng)基帶放大電路放大后輸出。為保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定，系統(tǒng)將輸出信號(hào)經(jīng)精密整流后得到與幅度成比例關(guān)系的直流量，經(jīng)STM32內(nèi)A/D電路采集，STM32單片機(jī)經(jīng)過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，控制中頻放大器放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益的控制[6]。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括低噪聲信號(hào)放大、本振、混頻、中頻放大、解調(diào)、基帶放大及單片機(jī)系統(tǒng)等。

2.1 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)

通過天線接收到調(diào)幅信號(hào)的有效值僅為10 μV～1 mV，輸入信號(hào)較小，為防止電路噪聲對有用信號(hào)的影響，采用射頻低噪聲集成放大器PSA-545作為前級(jí)電壓放大。PSA-545帶寬為50 MHz～4 GHz，噪聲系數(shù)僅為0.8 dB，增益可達(dá)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(jí)PSA-545組成，增益為40 dB。經(jīng)低噪聲放大后，輸出信號(hào)可達(dá)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(shè)計(jì)

高頻電壓放大電路在對不同頻率信號(hào)進(jìn)行電壓放大時(shí)，其電壓放大倍數(shù)也不一樣。為保證輸入信號(hào)頻率在50～300 MHz范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出信號(hào)電平波動(dòng)較小，通常將輸入信號(hào)變換成固定的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，本實(shí)驗(yàn)中，中頻信號(hào)頻率為10.7 MHz。

混頻電路可將輸入不同頻率的信號(hào)變換成固定中頻，電路如圖3所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用AD834模擬乘法器實(shí)現(xiàn)。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(jīng)過低噪聲放大器后的調(diào)幅波信號(hào)與本振源產(chǎn)生的本振信號(hào)相乘，完成混頻過程。本振信號(hào)源選用數(shù)字鎖相環(huán)芯片ADF4351。ADF4351是新款鎖相環(huán)，內(nèi)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(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻、手動(dòng)掃頻或者預(yù)置頻率選擇等功能，步進(jìn)最小可達(dá)1 kHz。圖3中，輸入信號(hào)由AD834的Y1輸入，本振信號(hào)由X1輸入，混頻后的信號(hào)經(jīng)U2(陶瓷濾波器)進(jìn)行濾波，得到10.7 MHz中頻信號(hào)輸出。

2.3 中頻放大電路設(shè)計(jì)

經(jīng)混頻后得到的中頻信號(hào)達(dá)不到檢波電路所需的幅度。同時(shí)，由于輸入信號(hào)幅度變化范圍較大，為保證輸出信號(hào)不產(chǎn)生失真，中頻放大電路需具備自動(dòng)增益控制功能。VCA821是可控制增益放大電路，VCA821 可實(shí)現(xiàn)數(shù)字自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control,AGC)，調(diào)節(jié)范圍大于 40 dB[8]，電路如圖4所示。STM32單片機(jī)內(nèi)部D/A產(chǎn)生的增益控制信號(hào)通過P1接口送到VCA821的2腳，中頻輸入信號(hào)送到VCA821的3腳，經(jīng)增益調(diào)節(jié)后，經(jīng)P6輸出。

圖4 中頻放大電路

2.4 檢波電路設(shè)計(jì)

檢波電路用于從調(diào)幅波中將低頻調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來。常見的調(diào)幅解調(diào)有大信號(hào)包絡(luò)檢波、同步檢波等。大信號(hào)包絡(luò)檢波具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低及工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用大信號(hào)包絡(luò)檢波電路實(shí)現(xiàn)，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(diào)制信號(hào)經(jīng)C2耦合輸出[9-11]。

圖5 檢波電路

2.5 精密整流電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)輸出低頻信號(hào)幅度的穩(wěn)定，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將輸出低頻信號(hào)進(jìn)行精密整流，得到與輸出信號(hào)幅度成比例的直流信號(hào)，并將該直流信號(hào)經(jīng)放大后，送到STM32單片機(jī)的A/D輸入端。單片機(jī)對該直流信號(hào)幅度進(jìn)行檢測，判斷輸出信號(hào)幅度，從而調(diào)節(jié)中頻放大電路的增益，使輸出低頻信號(hào)穩(wěn)定在(1±0.1) V。電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要用于系統(tǒng)本振信號(hào)頻率控制、自動(dòng)增益控制及輸出信號(hào)幅度指示等。系統(tǒng)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(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先對本振、自動(dòng)增益控制等進(jìn)行初始化，并顯示當(dāng)前本振頻率及測量得到的輸出信號(hào)幅度。然后系統(tǒng)檢測是否有按鍵按下，根據(jù)按鍵狀態(tài)，對本振信號(hào)頻率進(jìn)行設(shè)置，使本振信號(hào)頻率高于需接收的輸入信號(hào)10.7 MHz。同時(shí)，系統(tǒng)通過A/D采集經(jīng)精密整流后得到的輸出信號(hào)，判斷輸出信號(hào)大小。當(dāng)信號(hào)超過(1±0.1) V時(shí)，通過D/A輸出直流信號(hào)，控制中頻放大器VCA821的電壓增益，使其電壓放大倍數(shù)下降，而當(dāng)輸出電壓低于(1±0.1) V時(shí)，則使中頻放大器電壓放大倍數(shù)增加，從而保證輸出信號(hào)幅度在設(shè)定的范圍以內(nèi)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于系統(tǒng)接收的信號(hào)幅度小、頻率高，采用通用板搭建電路，有可能會(huì)使電路無法正常工作，所以本實(shí)驗(yàn)使用Altium Designer繪制原理圖，并根據(jù)原理圖制作PCB。在電路設(shè)計(jì)中，為減少分布參數(shù)的影響，采用尺寸較小的貼片元件[12]。

電路實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)射頻信號(hào)發(fā)生器使其產(chǎn)生載波頻率為250 MHz，調(diào)制信號(hào)頻率為5 kHz的調(diào)幅波，調(diào)整輸出信號(hào)幅度，使其在50 Ω阻抗下電壓幅度為50 mV，該信號(hào)再經(jīng)20 dB衰減器衰減，輸出信號(hào)約為5 mV。通過按鍵設(shè)置本振信號(hào)頻率為260.7 MHz，經(jīng)混頻后得到10.7 MHz中頻信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)檢波得到低頻調(diào)制信號(hào)，最后經(jīng)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(diào)信號(hào)波形如圖8所示。

(a) 輸入250 MHz調(diào)幅波信號(hào)

(b) 260.7 MHz本振信號(hào)

(c) 10.7 MHz中頻信號(hào)

(d) 輸出5 kHz解調(diào)信號(hào)

5 結(jié) 語

調(diào)幅接收系統(tǒng)是無線通信技術(shù)的重要內(nèi)容之一，由于處理的信號(hào)頻率高，電路分布參數(shù)影響大，仿真實(shí)驗(yàn)中能實(shí)現(xiàn)功能及技術(shù)指標(biāo)的電路在搭建實(shí)際電路時(shí)往往不能正常工作?；赟TM32的調(diào)幅接收機(jī)實(shí)驗(yàn)電路在課程設(shè)計(jì)中成功實(shí)施，既可使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，更好的理解理論知識(shí)，又可讓使學(xué)生掌握工程實(shí)踐知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。同時(shí)，在實(shí)際電路的調(diào)試中，培養(yǎng)學(xué)生分析問題及解決問題的能力，達(dá)到工程教育認(rèn)證對學(xué)生培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。