信號調(diào)制度測量裝置的研制

劉星，徐偉，夏宇辰，何純生

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇南京，210044）

0 引言

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

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

基于鎖相環(huán)芯片NE564 和二極管檢波電路所設計一種電路結(jié)構(gòu)簡單、低成本的AM/FM 解調(diào)裝置。對于AM 信號，采用前級放大調(diào)理后通過二極管檢波的方式進行AM 信號的解調(diào)，對于FM 信號，采用基于NE564 的鎖相環(huán)芯片實現(xiàn)FM 信號的解調(diào)，不需要恢復本地載波，并且具有較強的抗噪聲性能，通過一系列測試獲得了理想的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了解調(diào)信號的要求，從而證實了本裝置的實用與易用的特性。

1 系統(tǒng)總體方案

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

整機系統(tǒng)以STM32F103 單片機為控制核心，系統(tǒng)搭配包絡檢波電路和NE564 解調(diào)電路實現(xiàn)對已調(diào)波的解調(diào)，系統(tǒng)將輸出的信號經(jīng)過調(diào)理后分別接入AM 模塊和FM 模塊，通過ADC 的雙通道采集進行波形數(shù)據(jù)的分析計算進而比對出AM/FM 波和未調(diào)載波。測量結(jié)果將在LCD 顯示屏上顯示，同時如果系統(tǒng)檢測到安卓手機終端在線的話，還將把測試結(jié)果通過WiFi 傳輸至手機端顯示。系統(tǒng)的啟停、參數(shù)的設置可以通過功能按鍵設置，也可通過連接手機終端進行操作。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 硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)設計的總體思路，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，在信號中加入一個直流偏置電壓，使得信號進行一個整體的抬升，三路加法器的電路設計如下，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，通過加法器電路結(jié)構(gòu)實現(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

這是一個加權(quán)加法器，對應輸入電阻越大，該路的輸入信號權(quán)重越小，當同相端電阻并聯(lián)等于反相端電阻時，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 對單位增益穩(wěn)定有很大作用，電壓反饋運放。用單電源+5V 供電，OPA690 能驅(qū)動一個1V 到4V 輸出擺動，以及150mA 驅(qū)動電流，150MHz 帶寬。其帶寬特性非常適用于該系統(tǒng)的設計。OPA690 放大器模塊對信號發(fā)生器的高速小信號進行放大后以方便后級的信號處理。

■2.3 下變頻電路設計

信號接收端選用混頻器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。

信號與有源晶振產(chǎn)生的50MHz 本振信號進行混頻，然后用一個中心頻率為1.5MHz 的無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)電路設計

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

圖5 解調(diào)電路

■2.5 包絡檢波電路設計

大信號檢波和二極管整流的過程相同。輸入信號為正并超過和上的時，二極管導通，信號通過二極管向充電，此時隨充電電壓上升而升高。當下降且小于時，二極管反向截止，此時停止向充電，通過放電，隨放電而下降。該電路可以很好地解調(diào)AM 信號，并且通過跟隨器后進行送給單片機進行ADC 采樣。包絡檢波電路如圖6 所示。

圖6 包絡檢波電路

3 軟件設計

■3.1 主要模塊程序設計

FM 解調(diào)分析與計算：

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

其中，C1為外部電容，Cs為雜散電容，Rc=100Ω。

載波和調(diào)制信號分離分析與計算：

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

解調(diào)頻漂處理分析與計算：

解調(diào)電路采用鎖相環(huán)，能夠自適應信號源載波頻率的漂移。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。鑒相器檢測輸入信號與輸出信號的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)化為電壓信號，關系式為：

通過環(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uc(t)為定值時，相位被鎖定。在接收機的調(diào)頻電路中，鎖相環(huán)能夠跟蹤FM 信號的載波頻率變化，能夠成功解調(diào)信號。

■3.2 軟件程序設計

STM32 控制多路開關的通道開關，當按下AM 模式按鈕選擇，只打開通道A，通過STM32 進行ADC 采樣測出幅度的最大值Max 和最小值Min。調(diào)幅度可根據(jù)公式：

當按下FM 模式按鈕選擇，只打開通道В,ADC 采樣檢測峰峰值，由公式(5)計算頻偏：

程序流程圖如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

4 數(shù)據(jù)測試

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

表1 AM信號輸入測試結(jié)果表

關于調(diào)幅度測試方案：在不同的調(diào)制信號基礎上改變深度測量調(diào)幅度。當被檢測到的信號源輸出信號為電壓峰峰值100mV 的單音調(diào)頻（FM）電壓，其載頻為10MHz、調(diào)制信號為頻率3～5kHz 的正弦信號。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，觀察串口屏信息。如表2 所示。

表2 FM信號輸入測試結(jié)果表

通過搭建的實驗平臺，對系統(tǒng)進行測試，得到如下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)測得的調(diào)幅度/調(diào)頻度與理論值相差在10%以內(nèi)，載波帶寬可達到40MHz。基波變化頻率在1kHz 以上誤差伴隨減少，因為系統(tǒng)的采樣點數(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)定的測量精度。采用頻譜搬移顯著地降低了采樣點數(shù)和時鐘頻率的要求，使得精度在誤差限制在100Hz 上。這為系統(tǒng)的測量奠定了基礎。

（3）系統(tǒng)采用等精度方法測量脈沖的頻率，保證了在整個頻帶范圍內(nèi)測量的相對誤差與信號的頻率大小無關。

5 結(jié)語

系統(tǒng)充分結(jié)合STM32 單片機實時性能高、控制靈活的特點和多模塊聯(lián)合實現(xiàn)了信號快速采集、處理、測量、調(diào)理、解調(diào)、傳輸、顯示的高度集成，對信號源輸出信號多種參數(shù)檢測和識別顯示有著重大意義與研究價值。

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)簡單且低成本的適用于小型信號接收機的AM/FM 解調(diào)裝置，實現(xiàn)了信號的調(diào)理，AM/FM 的解調(diào)、采集、處理及顯示，解決了現(xiàn)有測量裝置存在的高成本，復雜程度高的問題，為信號的解調(diào)裝置提供了一種簡便的解決思路。

由于本系統(tǒng)依賴于硬件電路對信號進行解調(diào)，同時出于對本系統(tǒng)的便攜性考慮，在電磁屏蔽和抗干擾方面需要進行更精細的設計。另外，如何對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行改進也是值得思考的問題。