基于STM32 的通信信號(hào)調(diào)制度測(cè)量系統(tǒng)

王鵬程，賀蘇陽(yáng)，楊澤宇，盛鼎軒

（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

伴隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)調(diào)制度測(cè)量技術(shù)逐漸引起了科研人員的重視。設(shè)計(jì)并制作一款信號(hào)調(diào)制度測(cè)量系統(tǒng)，能夠較為精確的展示被測(cè)信號(hào)的參數(shù)，識(shí)別調(diào)制方式，在軍用、民用等領(lǐng)域均有重大應(yīng)用前景[3]。本文選取NE564 解調(diào)待測(cè)信號(hào)，再使用STM32 單片機(jī)進(jìn)行AD 采樣，測(cè)量相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而相對(duì)精確地計(jì)算出調(diào)制度大小并顯示。

1 系統(tǒng)需求與總體技術(shù)方案

本文需要設(shè)計(jì)一款能夠自適應(yīng)識(shí)別被測(cè)信號(hào)調(diào)制方式，精確測(cè)量載波電壓的調(diào)制度，同時(shí)能夠輸出解調(diào)信號(hào)的高精度、無(wú)失真的測(cè)量裝置。受限于硬件精度，本系統(tǒng)對(duì)于載頻10MHz、頻率1~3kHz 的正弦信號(hào)，要求絕對(duì)誤差小于0.1；對(duì)于載頻10MHz、頻率3~5kHz 的正弦信號(hào)，要求絕對(duì)誤差小于0.3；對(duì)于未知調(diào)制方式的高頻載波電壓，要求能夠識(shí)別載頻范圍10MHz~30MHz、頻率范圍5kHz~10kHz 的正弦信號(hào)?？紤]到硬件成本，要求所有被測(cè)信號(hào)的電壓峰峰值均為100mV。

因此，研發(fā)前期，本文設(shè)計(jì)了如下三種實(shí)現(xiàn)方案。

方案1：采用3PEAKS 的3PA1030 高速ADC 芯片制作的16 管腳的ADC 模塊，搭配FPGA 進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，直接對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行采樣測(cè)量。

方案2：直接使用STM32 對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行AD 采樣，測(cè)出波峰波谷的數(shù)值，隨后計(jì)算調(diào)制度的大小。

方案3：選取合適解調(diào)模塊解調(diào)被測(cè)信號(hào)，隨后直接輸出解調(diào)信號(hào)?？紤]到解調(diào)信號(hào)頻率較低，故采用STM32 單片機(jī)AD 采樣然后測(cè)量高壓峰峰值和頻率，計(jì)算出調(diào)制度的大小。

評(píng)估三個(gè)方案的可行性。對(duì)于方案1，由于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度均較大，硬件成本過(guò)高，可行性一般。分析方案2，由于STM32 的采樣率不能大于被測(cè)信號(hào)頻率的兩倍，理論上無(wú)法滿足奈奎斯特采樣率，故可行性不佳。評(píng)估方案3，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)適中，同時(shí)能夠保證較高的精確度，故可行性較高。

綜上所述，本文采用可行性最高的方案3，進(jìn)行系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體框架圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于信號(hào)源輸出的被測(cè)信號(hào)，最終目的是計(jì)算出調(diào)制度和相關(guān)參數(shù)。故在判斷出被測(cè)信號(hào)為普通單音調(diào)幅（AM）信號(hào)后，需要測(cè)量出調(diào)幅度ma；判斷為單音調(diào)頻（FM）信號(hào)后，需要測(cè)量出調(diào)頻度mf 和最大頻偏?fm。因此，調(diào)制波幅值和載波幅值的比值如下：

因此，對(duì)于普通單音調(diào)幅（AM）信號(hào)，本文基于THS3091 放大模塊設(shè)計(jì)了放大電路，將信號(hào)放大。隨后通過(guò)包絡(luò)檢波模塊輸出解調(diào)信號(hào)，最后使用STM32 單片機(jī)AD 采樣測(cè)量相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出調(diào)幅度ma。

而對(duì)于普通單音調(diào)頻（FM）信號(hào)，不僅需要測(cè)量調(diào)制度，還需要輸出最大頻偏?fm這一重要參數(shù)。因此，本文基于NE564 解調(diào)模塊，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，再采用STM32 單片機(jī)AD 采樣測(cè)量相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出調(diào)頻度mf 和最大頻偏?fm。最大頻偏的計(jì)算公式為：

3 核心模塊電路設(shè)計(jì)

■3.1 包絡(luò)檢波模塊

信號(hào)的包絡(luò)是指信號(hào)波形的上限，它可以通過(guò)與信號(hào)幅值相關(guān)的函數(shù)來(lái)表示。在包絡(luò)檢波中，通常使用一個(gè)高通濾波器來(lái)生成信號(hào)的包絡(luò)。該高通濾波器的目的是通過(guò)去除信號(hào)的低頻分量，從而提取信號(hào)的高頻特征。

生成包絡(luò)后，對(duì)其進(jìn)行分析，可以識(shí)別出信號(hào)的特征。比較包絡(luò)與預(yù)定閾值的大小來(lái)判斷信號(hào)是否存在，也可以對(duì)包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制分析，以識(shí)別信號(hào)的頻率。

當(dāng)被測(cè)電壓屬于普通單音調(diào)幅電壓μAM時(shí)，為了較為精確地進(jìn)行檢測(cè)和檢波操作，解調(diào)器輸入信號(hào)為：

本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的包絡(luò)檢波模塊。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本模塊的工作頻率可以達(dá)到0.1~3200MHz， 具有較高的靈敏度。

圖2 AM 包絡(luò)檢波模塊原理圖

■3.2 解調(diào)模塊

解調(diào)模塊是一種用于將調(diào)制信號(hào)解調(diào)為原始數(shù)字或模擬信號(hào)的設(shè)備。它通常由一系列濾波器、放大器和檢波器組成，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。解調(diào)模塊的作用是將調(diào)制信號(hào)還原為原始數(shù)據(jù)，使得可以進(jìn)一步處理和分析。在數(shù)字通信中，解調(diào)模塊通常用于識(shí)別調(diào)制方式，并以此解調(diào)信號(hào)。

當(dāng)被測(cè)電壓屬于普通單音調(diào)頻電壓μFM時(shí)，為進(jìn)行解調(diào)操作，本文設(shè)計(jì)了如圖3 所示的解調(diào)模塊。為保證解調(diào)后的信號(hào)具有良好的音質(zhì)和優(yōu)質(zhì)的帶寬，本文采用了音頻運(yùn)放技術(shù)進(jìn)行放大和濾波操作。同時(shí)，考慮到硬件成本，本文選擇了較為經(jīng)濟(jì)的NE564 集成電路，完成本模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖3 FM 解調(diào)模塊原理圖

NE564 是一種高級(jí)的數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）控制器集成電路，具有自動(dòng)控制功能和高穩(wěn)定性。它是一種用于生成高頻信號(hào)的晶體振蕩器，具有高度集成的架構(gòu)，包括鎖相放大器，比較器，振蕩器，時(shí)間常數(shù)，控制電路和控制邏輯。它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖定和控制，因此可以獲得更高的穩(wěn)定性。此外，NE564 還具有低失真度和低噪聲特性，使其適用于高精度的信號(hào)處理應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本模塊可解調(diào)載波頻率為10MHz~90MHz的調(diào)頻（FM）信號(hào)。

■3.3 高頻放大模塊

由于包絡(luò)檢波模塊電路的主要作用為，將低頻段的信號(hào)，從調(diào)幅信號(hào)中解調(diào)[1]。因此，首先需要將被測(cè)的高頻信號(hào)去除。因此，本文設(shè)計(jì)了如圖4 所示的高頻放大電路模塊，將被測(cè)信號(hào)的高頻部分放大，以達(dá)到包絡(luò)檢波模塊電路的輸入要求。故本模塊的核心功能即為，將高頻信號(hào)放大。

圖4 高頻放大模塊原理圖

考慮到硬件性能和成本等因素，本文選擇了TI 公司開(kāi)發(fā)的THS3091 芯片完成本模塊的電路設(shè)計(jì)。THS3091 芯片作為一款電流反饋型放大器芯片，具備高精度和寬頻帶的特點(diǎn)。其設(shè)計(jì)目的是為了滿足高頻信號(hào)放大的需求，并在后續(xù)濾波過(guò)程中更方便地去除其他頻率成分。由于我們只需要對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行放大處理，不需要過(guò)強(qiáng)的增益效果或平滑效果，因此無(wú)需設(shè)計(jì)多級(jí)放大電路。簡(jiǎn)單地采用單一的THS3091 芯片即可高效地完成設(shè)計(jì)。

THS3091 芯片的高精度放大功能使其能夠準(zhǔn)確地放大被測(cè)信號(hào)的高頻部分，而不會(huì)引入額外的失真或噪聲。其寬頻帶特性確保它能夠處理廣泛范圍的高頻信號(hào)，并保持信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過(guò)僅使用單一的THS3091 芯片，我們能夠簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，并減少所需元件的數(shù)量，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

4 單片機(jī)模塊與軟件設(shè)計(jì)

■4.1 單片機(jī)AD 采樣模塊

AD 轉(zhuǎn)換，即將模擬信號(hào)量，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)量，以便于后續(xù)調(diào)用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[2][4]。因此，為產(chǎn)生可供直接計(jì)算的數(shù)字信號(hào)，AD 采樣是必要的一步[4]。當(dāng)前電子元器件的發(fā)展非常迅速，通常32 位及以上的處理器均集成了ADC 通道，可以免去傳統(tǒng)的“單片機(jī)外搭A(yù)DC 電路”繁瑣操作。因此，在綜合考慮硬件成本、開(kāi)發(fā)復(fù)雜度等各項(xiàng)因素下，選擇了AD 轉(zhuǎn)換、處理功能較強(qiáng)的STM32 單片機(jī)，進(jìn)行本模塊的開(kāi)發(fā)。核心需求即為，使用STM32 內(nèi)部的AD通道，進(jìn)行采樣處理。

本文選擇當(dāng)下較為流行的高性能STM32F103VET6 單片機(jī)，完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。該款單片機(jī)是32位的、增強(qiáng)型處理器，高達(dá)72MHz 的計(jì)算頻率[5]，以及共3、12 位的ADC 通道[5]，非常契合該模塊的需求。因此，將核心開(kāi)發(fā)過(guò)程總結(jié)為如下步驟：通過(guò)配置相應(yīng)的AD 引腳，使用STM32F103VET6 單片機(jī)的ADC 采樣通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程，隨后調(diào)用單片機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值計(jì)算操作。因此，重點(diǎn)功能在于利用ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)序，得到具體參數(shù)。而時(shí)序轉(zhuǎn)換的核心指標(biāo)，即ADC 的轉(zhuǎn)換頻率f，則與采樣信號(hào)和保持?jǐn)?shù)有關(guān)，見(jiàn)式（3）。TADC 為本文所使用的STM32 單片機(jī)AD通道的ADC 轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘周期，N 為該ADC 時(shí)鐘中的采樣信號(hào)的保持寬度，均由STM32 單片機(jī)決定。

此外，為得到較高精度的AD 采樣結(jié)果，需要確定合適采樣時(shí)間。因?yàn)樵贏DC 最大時(shí)鐘不超過(guò)上限的情況下，采樣時(shí)間越久，AD 采樣精度越高，故本文經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同屬性的被測(cè)信號(hào)，需要交互的確定采樣時(shí)間。

最后，基于不同的被測(cè)信號(hào)屬性，即判斷源信號(hào)為AM信號(hào)或者FM 信號(hào)，分別調(diào)用公式(1)和公式(2)，通過(guò)STM32F103VET6 單片機(jī)，計(jì)算出包括調(diào)制度、最大頻偏在內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。將最終測(cè)量結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示在LCD 屏上。

■4.2 軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明

在系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)應(yīng)所有硬件、電路的整體框架，本文將軟件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)繪制如圖5 所示。

圖5 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

采用傳統(tǒng)的自頂而下的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。采用裸機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)，由于系統(tǒng)無(wú)中斷處理程序的需求，所有模塊程序均無(wú)時(shí)間間隔要求，且整體架構(gòu)屬于輕量級(jí)程序，因此整體軟件僅需單個(gè)主程序即可實(shí)現(xiàn)。程序流程圖繪制如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

5 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試

■5.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境與流程

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境方面，本文選取NI Multisim 14.0 作為電路設(shè)計(jì)平臺(tái)；選取keil μvision5 作為STM32 開(kāi)發(fā)平臺(tái)；選取立創(chuàng)EDA 和華秋DFM 作為總體設(shè)計(jì)工具。

因此，本系統(tǒng)的總體開(kāi)發(fā)流程可以簡(jiǎn)化為：開(kāi)啟信號(hào)源（RIGOL 任意波形發(fā)生器），隨機(jī)輸出調(diào)幅（AM）信號(hào)、調(diào)頻（FM）信號(hào)或載波信號(hào)，進(jìn)入放大電路后進(jìn)行分支，一路用于AM 信號(hào)檢波，一路用于FM 信號(hào)解調(diào)，得到預(yù)處理信號(hào)。在得到預(yù)處理信號(hào)后，輸入STM32 單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，并選取IGOL 示波器進(jìn)行顯示。系統(tǒng)電源方面，選取RIGOL 可編程線性直流電源供能。

■5.2 電路仿真測(cè)試

通常情況下，為降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的出錯(cuò)概率，需要先使用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。由于當(dāng)普通單音調(diào)幅信號(hào)（AM 信號(hào)）作為被測(cè)信號(hào)時(shí)，同時(shí)調(diào)用了所有模塊，具有一定代表性。因此在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與硬件加工前，選取普通單音調(diào)幅信號(hào)（AM 信號(hào)）作為測(cè)試信號(hào)，進(jìn)行模擬仿真。仿真軟件方面，本文選取NI Multisim 14.0 進(jìn)行仿真測(cè)試。

仿真結(jié)果如圖7 所示。使用AM 檢波電路對(duì)AM 信號(hào)進(jìn)行檢波，得到位于x 軸上方的半個(gè)包絡(luò)波。仿真測(cè)試結(jié)果較好，可以進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

圖7 電路仿真測(cè)試

■5.3 調(diào)幅信號(hào)（AM 信號(hào)）測(cè)試

采用電壓峰峰值100mV 的普通單音調(diào)幅（AM），載頻為10MHz、調(diào)制信號(hào)為頻率1~3kHz 的正弦信號(hào)，進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)比理論調(diào)制度和實(shí)際調(diào)制度，選取測(cè)量絕對(duì)誤差作為評(píng)估指標(biāo)。結(jié)果數(shù)據(jù)表為表1。

表1 調(diào)幅信號(hào)測(cè)試結(jié)果

■5.4 調(diào)頻信號(hào)（FM 信號(hào)）測(cè)試

采用電壓峰峰值100mV 的普通單音調(diào)頻（FM），載頻為10MHz、調(diào)制信號(hào)為頻率3~5kHz 的正弦信號(hào)，進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)比理論調(diào)制度和實(shí)際調(diào)制度，選取測(cè)量絕對(duì)誤差作為評(píng)估指標(biāo)。結(jié)果數(shù)據(jù)表為表2。

表2 調(diào)頻信號(hào)測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是一個(gè)測(cè)量通信信號(hào)調(diào)制度的系統(tǒng)裝置，能夠測(cè)量高頻信號(hào)的信號(hào)調(diào)制圖并輸出解調(diào)信號(hào)。本系統(tǒng)使用包絡(luò)檢波模塊對(duì)調(diào)幅（AM）信號(hào)進(jìn)行檢波、使用NE564 解調(diào)模塊對(duì)調(diào)頻（FM）信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，配合基于THS3091 放大模塊的高頻放大器以及STM32 單片機(jī)，完成調(diào)制度的測(cè)量和解調(diào)信號(hào)的輸出，并能夠保證一定的精確度。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，是通信信號(hào)調(diào)制度相關(guān)研究的應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，為電子測(cè)量和信號(hào)調(diào)制領(lǐng)域的成果應(yīng)用提供了一種可行方案。