基于數(shù)字中頻技術(shù)的調(diào)制度自動(dòng)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳笑笑，華展鴻，朱林奇，盧新祥，金寶根

（紹興文理學(xué)院 數(shù)理信息學(xué)院，浙江紹興，312000）

在移動(dòng)通信技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，信號傳輸起著至關(guān)重要的作用，而調(diào)制解調(diào)作為信號發(fā)射到接收的必經(jīng)之路，其中的參數(shù)測定也不容忽視，但在利用高集成化模塊解調(diào)時(shí)，只輸出解調(diào)后的信號，容易丟失調(diào)制過程中的參數(shù)，因此調(diào)制解調(diào)過程中的參數(shù)測定也有著巨大的作用。得益于數(shù)字信號處理技術(shù)和微處理器的快速發(fā)展，可以將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后再進(jìn)行處理，相比模擬信號，數(shù)字信號具有更高的可靠性、抗噪性能、靈活性等優(yōu)點(diǎn)，而模擬器件會(huì)受到諸多因素的影響，如器件的非線性，頻率穩(wěn)定度、溫度漂移、相位噪聲等。

本文提出了一種基于數(shù)字中頻技術(shù)[1]的調(diào)制度自動(dòng)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以FPGA 和STM32 作為主要硬件平臺[2]，數(shù)字中頻技術(shù)為核心，用于高頻信號調(diào)制度測量[3]，方便得到解調(diào)過程中的重要中間量。

1 基于數(shù)字中頻技術(shù)的調(diào)制度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文結(jié)合了FPGA 高速信號處理的快速性和ARM 單元功能豐富、適合浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于數(shù)字中頻技術(shù)的調(diào)制度自動(dòng)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在完成對解調(diào)過程中的調(diào)制度中間量進(jìn)行測定[4]。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以FPGA 和STM32 作為主要硬件平臺。輸入信號先經(jīng)過前端調(diào)理電路改善信號，之后送入高速AD 采樣，由FPGA 接收采樣數(shù)據(jù)。FPGA 作為本系統(tǒng)信號處理與解調(diào)的核心，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的采集，產(chǎn)生NCO 本振、使用乘法器混頻、實(shí)現(xiàn)FIR 低通濾波器濾除信號高頻噪聲、解調(diào)單元等信號處理單元和SPI 數(shù)據(jù)收發(fā)單元。STM32 則裝載信號識別和FFT 等算法，將計(jì)算得到的結(jié)果再送回FPGA 單元解調(diào)，同時(shí)負(fù)責(zé)接收解調(diào)數(shù)據(jù)再通過DA 輸出并顯示調(diào)幅度或調(diào)制度及最大頻偏。

方案的核心思路是數(shù)字化和降頻，若直接對模擬信號處理，會(huì)遇到非常多的干擾，并且不同模塊連接時(shí)會(huì)有很多適配的問題出現(xiàn)，過程分析也較為困難。因此將模擬信號數(shù)字化是一種十分高效的方法。此外，因?yàn)閷Ω哳l信號數(shù)據(jù)分析需要消耗大量的資源，并且當(dāng)信號頻率增加到一定程度時(shí)，運(yùn)算數(shù)據(jù)量過大，導(dǎo)致系統(tǒng)效率過低，對信號用合適的方法降頻但不改變原本信號的信息，減少運(yùn)算的數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要包括四個(gè)部分：前端調(diào)理電路、高速AD 采集模塊、FPGA 信號處理單元、STM32 與顯示單元。如圖1 所示，高速AD 由FPGA 產(chǎn)生高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)工作，F(xiàn)PGA 與STM32 通過SPI 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。顯示單元?jiǎng)t由STM32 驅(qū)動(dòng)LCD 顯示參數(shù)。

圖1 調(diào)制度測量系統(tǒng)硬件組成

■2.1 前端調(diào)理電路

輸入模擬信號調(diào)理單元，由運(yùn)算放大器組成，如圖2所示，調(diào)理電路主要對輸入小信號進(jìn)行放大，確保模數(shù)轉(zhuǎn)換有足夠的分辨率，要注意保證放大器單位增益帶寬要高，本系統(tǒng)選用LMH6643 運(yùn)算放大器，圖中R4 和R7 兩個(gè)反饋電阻視情況適當(dāng)調(diào)整。若AD 芯片為單極性轉(zhuǎn)換，則還需加上直流偏置使輸入信號鉗位在一個(gè)固定的直流電平上。

圖2 前端調(diào)理電路

■2.2 高速AD 采集模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換作用是將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提供FPGA 進(jìn)行信號處理。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率至少為輸入信號的兩倍，為確保足夠的采樣率，要選擇采樣速率較高的AD 芯片，如圖3 所示，本系統(tǒng)選用AD08200 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采樣率可達(dá)200M/s，8bit 采樣精度，并加入LM1085 線性穩(wěn)壓芯片使系統(tǒng)更穩(wěn)定，同時(shí)由FPGA 提供驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘進(jìn)行采樣。

圖3 穩(wěn)壓電路與AD 采樣電路

■2.3 FPGA 單元

信號處理與解調(diào)單元主要由FPGA 組成，是本裝置的核心。負(fù)責(zé)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，產(chǎn)生NCO 本振、乘法器混頻[6]、實(shí)現(xiàn)FIR 低通濾波器[5]、解調(diào)單元等信號處理單元和SPI 數(shù)據(jù)收發(fā)單元。根據(jù)所需要消耗的資源，本系統(tǒng)選用型號為EP4CE22E22A7 的FPGA 芯片。

Alter 提供的IP 核可以定制生成在Alter FPGA 芯片上運(yùn)行的數(shù)控振蕩器。其結(jié)構(gòu)有基于ROM 的、基于CORDIC的和基于乘法器的。并且其支持位寬可變的頻率調(diào)制輸入和相位調(diào)制輸入。滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要根據(jù)頻率計(jì)計(jì)算的時(shí)鐘來改變生成的本振頻率的要求，選擇大ROM 結(jié)構(gòu)，消耗更多的資源來提高精度。

乘法器可以直接將兩個(gè)信號相乘得到，也可以選擇乘法器IP 核生成，但要注意其數(shù)據(jù)的有無符號，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該全程采用有符號型或無符號型數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的是乘法器IP 核，全程無符號數(shù)據(jù)運(yùn)算。

與IIR 濾波器相比，F(xiàn)IR 濾波器具有線性相位和固有穩(wěn)定性，故采用FIR 濾波器來濾除噪聲。同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)用Matlab 輔助生成抽頭系數(shù)，導(dǎo)入到IP 核內(nèi)，相比IP 核內(nèi)直接生成有更好的效果。其余的IP 核參數(shù)設(shè)置根據(jù)實(shí)際要求選擇。

FFT 在FPGA 上需要消耗大量的資源，并且在數(shù)據(jù)位寬和運(yùn)算點(diǎn)數(shù)上的限制較大，因此我們通過SPI 將數(shù)據(jù)送到ARM 單元上運(yùn)算，效率更高。

■2.4 STM32 與顯示單元

STM32F4 采用Cortex-M4 內(nèi)核，內(nèi)置硬件FPU 單元，在數(shù)字信號處理方面還增加了DSP 指令集，在數(shù)字信號處理能力方面得到了大幅的提升，支持多種點(diǎn)數(shù)的FFT 運(yùn)算。因此本系統(tǒng)選用STM32F407 芯片來完成浮點(diǎn)運(yùn)算。運(yùn)算包括接收FPGA 發(fā)來的處理數(shù)據(jù)和解調(diào)數(shù)據(jù)，F(xiàn)FT 運(yùn)算，利用軟件軟法判斷信號類型，并利用片內(nèi)DA 輸出解調(diào)數(shù)據(jù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD 顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件流程與算法

■3.1 軟件算法總體流程

如圖4 所示，首先將送入硬件的信號進(jìn)行調(diào)理，將信號放大使其符合AD 采集的動(dòng)態(tài)范圍要求，之后用高速AD芯片采集，通過FPGA 產(chǎn)生時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片，將采集的信號送入FPGA 內(nèi)。然后將這些數(shù)據(jù)在FPGA 內(nèi)處理，過程如下，首先由頻率計(jì)計(jì)算信號頻率，根據(jù)得到的頻率，控制NCO產(chǎn)生本振（本振頻率應(yīng)和測量頻率有一定偏差），再與采集到的信號通過乘法器混頻，再將混頻后的中頻信號通過FIR低通濾波器，濾除高中頻信號，使得信號整體在搬移低頻段，再對此信號降采樣，將一幀數(shù)據(jù)送到ARM 單元進(jìn)行FFT 運(yùn)算，并送到后續(xù)的解調(diào)單元等待解調(diào)。ARM 單元根據(jù)FFT計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合經(jīng)優(yōu)化的零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度算法分析當(dāng)前信號為AM/FM，并將結(jié)果送給FPGA 的解調(diào)單元，讓其根據(jù)信號類型進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后將解調(diào)信號送給ARM 單元并通過DA 輸出，同時(shí)ARM 單元根據(jù)FFT 結(jié)果，計(jì)算得到AM 的調(diào)幅度或者FM 的調(diào)頻度及最大頻偏并顯示。

圖4 軟件算法整體流程框圖

■3.2 混頻

■3.3 FFT

通過FFT 計(jì)算結(jié)果，根據(jù)頻譜特征計(jì)算調(diào)制度，調(diào)幅信號的調(diào)制度由上下邊帶分量占比決定，調(diào)頻信號由最大頻偏決定。

■3.4 AM/FM 信號識別算法

本系統(tǒng)識別算法使用經(jīng)優(yōu)化的零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度算法[7]。零中心歸一化瞬時(shí)幅度之譜密度的最大值定義如下：

■3.5 信號解調(diào)

AM 與FM 解調(diào)需要用到不同方法。對于AM 解調(diào)，只需用一個(gè)乘法器與低通濾波器，恢復(fù)載波與本地載波一致，具體方法如圖5 所示。

圖5 AM 同步檢波（乘積型）

FM 信號可分解為同相分量與正交分量之和，可以采用線性調(diào)制中的相干解調(diào)法來進(jìn)行解調(diào)，如圖6 所示。

圖6 FM 相干解調(diào)

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

■4.1 AM 信號識別結(jié)果

表1 AM信號識別結(jié)果

從上表可以看出，其正確率接近100%。可測的調(diào)幅度范圍在0.1～0.9 內(nèi)。

■4.2 FM 信號識別結(jié)果

由上表計(jì)算得到，其平均正確率約為97.7%，可測的調(diào)頻度范圍在1-6 內(nèi)。結(jié)合AM 的數(shù)據(jù)平均正確率為98.8%，接近99%。

■4.3 測試總結(jié)

在此基礎(chǔ)上，還改變了系統(tǒng)中的各模塊的參數(shù)來定性檢驗(yàn)其對系統(tǒng)的影響，例如NCO 的生成結(jié)構(gòu)和相位增量，濾波器的抽頭系數(shù)和階數(shù)，F(xiàn)FT 運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，判定閾值的設(shè)定等因素，發(fā)現(xiàn)其最后的結(jié)果改變幅度較小，依舊可以滿足需求，若要求較高，也可以對單一系統(tǒng)做標(biāo)定，來達(dá)到更好的效果。

5 結(jié)語

本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字中頻技術(shù)的調(diào)制度自動(dòng)測量系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并對調(diào)制度測量系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果觀察，自動(dòng)識別算法識別的準(zhǔn)確率較高，且得到的調(diào)制度偏差很小，解調(diào)數(shù)據(jù)也十分準(zhǔn)確，完整地驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性、完整性和可行性。對于解調(diào)中的中間量測定十分方便，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用極大豐富了解決問題的方法，具有現(xiàn)實(shí)意義。

影響此系統(tǒng)測量的誤差原因主要來源于數(shù)字下變頻過程：一是數(shù)字本振、輸入信號以及混頻乘法運(yùn)算的樣本數(shù)值的有限字長所引起的誤差；二是數(shù)字本振相位分辨率不夠而引起數(shù)字本振樣本數(shù)值的近似取值。也就是說數(shù)字混頻器和數(shù)字本振的數(shù)據(jù)位數(shù)不夠長，存在尾數(shù)截?cái)嗟那闆r，根據(jù)截?cái)嗪徒频某潭龋瑫?huì)或多或少影響數(shù)字下變頻的性能，但現(xiàn)有的誤差已基本滿足要求。通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，可以方便地獲得簡單信號解調(diào)過程中的調(diào)制度參數(shù)并為后續(xù)的改進(jìn)作基礎(chǔ)。