基于STM32 的通信信號調制度測量系統

王鵬程，賀蘇陽，楊澤宇，盛鼎軒

（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

伴隨著信號處理技術的發展，信號調制度測量技術逐漸引起了科研人員的重視。設計并制作一款信號調制度測量系統，能夠較為精確的展示被測信號的參數，識別調制方式，在軍用、民用等領域均有重大應用前景[3]。本文選取NE564 解調待測信號，再使用STM32 單片機進行AD 采樣，測量相關參數，進而相對精確地計算出調制度大小并顯示。

1 系統需求與總體技術方案

本文需要設計一款能夠自適應識別被測信號調制方式，精確測量載波電壓的調制度，同時能夠輸出解調信號的高精度、無失真的測量裝置。受限于硬件精度，本系統對于載頻10MHz、頻率1~3kHz 的正弦信號，要求絕對誤差小于0.1；對于載頻10MHz、頻率3~5kHz 的正弦信號，要求絕對誤差小于0.3；對于未知調制方式的高頻載波電壓，要求能夠識別載頻范圍10MHz~30MHz、頻率范圍5kHz~10kHz 的正弦信號。考慮到硬件成本，要求所有被測信號的電壓峰峰值均為100mV。

因此，研發前期，本文設計了如下三種實現方案。

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 進行高速數據采集，直接對信號源產生的已調信號進行采樣測量。

方案2：直接使用STM32 對被測信號進行AD 采樣，測出波峰波谷的數值，隨后計算調制度的大小。

方案3：選取合適解調模塊解調被測信號，隨后直接輸出解調信號。考慮到解調信號頻率較低，故采用STM32 單片機AD 采樣然后測量高壓峰峰值和頻率，計算出調制度的大小。

評估三個方案的可行性。對于方案1，由于實現復雜度均較大，硬件成本過高，可行性一般。分析方案2，由于STM32 的采樣率不能大于被測信號頻率的兩倍，理論上無法滿足奈奎斯特采樣率，故可行性不佳。評估方案3，實現復雜度相對適中，同時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，進行系統裝置的設計。系統總體框架圖見圖1。

圖1 系統總體框架圖

2 系統架構設計

對于信號源輸出的被測信號，最終目的是計算出調制度和相關參數。故在判斷出被測信號為普通單音調幅（AM）信號后，需要測量出調幅度ma；判斷為單音調頻（FM）信號后，需要測量出調頻度mf 和最大頻偏?fm。因此，調制波幅值和載波幅值的比值如下：

因此，對于普通單音調幅（AM）信號，本文基于THS3091 放大模塊設計了放大電路，將信號放大。隨后通過包絡檢波模塊輸出解調信號，最后使用STM32 單片機AD 采樣測量相關參數，計算出調幅度ma。

而對于普通單音調頻（FM）信號，不僅需要測量調制度，還需要輸出最大頻偏?fm這一重要參數。因此，本文基于NE564 解調模塊，對被測信號進行解調，再采用STM32 單片機AD 采樣測量相關參數，計算出調頻度mf 和最大頻偏?fm。最大頻偏的計算公式為：

3 核心模塊電路設計

■3.1 包絡檢波模塊

信號的包絡是指信號波形的上限，它可以通過與信號幅值相關的函數來表示。在包絡檢波中，通常使用一個高通濾波器來生成信號的包絡。該高通濾波器的目的是通過去除信號的低頻分量，從而提取信號的高頻特征。

生成包絡后，對其進行分析，可以識別出信號的特征。比較包絡與預定閾值的大小來判斷信號是否存在，也可以對包絡進行調制分析，以識別信號的頻率。

當被測電壓屬于普通單音調幅電壓μAM時，為了較為精確地進行檢測和檢波操作，解調器輸入信號為：

本文設計了如圖2所示的包絡檢波模塊。經過實際測試，本模塊的工作頻率可以達到0.1~3200MHz， 具有較高的靈敏度。

圖2 AM 包絡檢波模塊原理圖

■3.2 解調模塊

解調模塊是一種用于將調制信號解調為原始數字或模擬信號的設備。它通常由一系列濾波器、放大器和檢波器組成，用于對信號進行處理，以恢復原始數據。解調模塊的作用是將調制信號還原為原始數據，使得可以進一步處理和分析。在數字通信中，解調模塊通常用于識別調制方式，并以此解調信號。

當被測電壓屬于普通單音調頻電壓μFM時，為進行解調操作，本文設計了如圖3 所示的解調模塊。為保證解調后的信號具有良好的音質和優質的帶寬，本文采用了音頻運放技術進行放大和濾波操作。同時，考慮到硬件成本，本文選擇了較為經濟的NE564 集成電路，完成本模塊的詳細設計。

圖3 FM 解調模塊原理圖

NE564 是一種高級的數字鎖相環（PLL）控制器集成電路，具有自動控制功能和高穩定性。它是一種用于生成高頻信號的晶體振蕩器，具有高度集成的架構，包括鎖相放大器，比較器，振蕩器，時間常數，控制電路和控制邏輯。它可以實現自動鎖定和控制，因此可以獲得更高的穩定性。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處理應用。

經過實際測試，本模塊可解調載波頻率為10MHz~90MHz的調頻（FM）信號。

■3.3 高頻放大模塊

由于包絡檢波模塊電路的主要作用為，將低頻段的信號，從調幅信號中解調[1]。因此，首先需要將被測的高頻信號去除。因此，本文設計了如圖4 所示的高頻放大電路模塊，將被測信號的高頻部分放大，以達到包絡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 公司開發的THS3091 芯片完成本模塊的電路設計。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。其設計目的是為了滿足高頻信號放大的需求，并在后續濾波過程中更方便地去除其他頻率成分。由于我們只需要對高頻信號進行放大處理，不需要過強的增益效果或平滑效果，因此無需設計多級放大電路。簡單地采用單一的THS3091 芯片即可高效地完成設計。

THS3091 芯片的高精度放大功能使其能夠準確地放大被測信號的高頻部分，而不會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，并保持信號的準確性和穩定性。通過僅使用單一的THS3091 芯片，我們能夠簡化電路設計，并減少所需元件的數量，從而達到經濟和環保的優勢。

4 單片機模塊與軟件設計

■4.1 單片機AD 采樣模塊

AD 轉換，即將模擬信號量，轉換為數字信號量，以便于后續調用單片機進行數值計算[2][4]。因此，為產生可供直接計算的數字信號，AD 采樣是必要的一步[4]。當前電子元器件的發展非常迅速，通常32 位及以上的處理器均集成了ADC 通道，可以免去傳統的“單片機外搭ADC 電路”繁瑣操作。因此，在綜合考慮硬件成本、開發復雜度等各項因素下，選擇了AD 轉換、處理功能較強的STM32 單片機，進行本模塊的開發。核心需求即為，使用STM32 內部的AD通道，進行采樣處理。

本文選擇當下較為流行的高性能STM32F103VET6 單片機，完成系統開發。該款單片機是32位的、增強型處理器，高達72MHz 的計算頻率[5]，以及共3、12 位的ADC 通道[5]，非常契合該模塊的需求。因此，將核心開發過程總結為如下步驟：通過配置相應的AD 引腳，使用STM32F103VET6 單片機的ADC 采樣通道進行數據采集過程，隨后調用單片機進一步進行數值計算操作。因此，重點功能在于利用ADC 的轉換時序，得到具體參數。而時序轉換的核心指標，即ADC 的轉換頻率f，則與采樣信號和保持數有關，見式（3）。TADC 為本文所使用的STM32 單片機AD通道的ADC 轉換的時鐘周期，N 為該ADC 時鐘中的采樣信號的保持寬度，均由STM32 單片機決定。

此外，為得到較高精度的AD 采樣結果，需要確定合適采樣時間。因為在ADC 最大時鐘不超過上限的情況下，采樣時間越久，AD 采樣精度越高，故本文經過多次實驗，發現對于不同屬性的被測信號，需要交互的確定采樣時間。

最后，基于不同的被測信號屬性，即判斷源信號為AM信號或者FM 信號，分別調用公式(1)和公式(2)，通過STM32F103VET6 單片機，計算出包括調制度、最大頻偏在內的各項數據。將最終測量結果，實時顯示在LCD 屏上。

■4.2 軟件設計說明

在系統整體軟件設計方面，對應所有硬件、電路的整體框架，本文將軟件系統框架結構繪制如圖5 所示。

圖5 軟件系統架構圖

采用傳統的自頂而下的設計方法，設計軟件系統。采用裸機實現系統架構，由于系統無中斷處理程序的需求，所有模塊程序均無時間間隔要求，且整體架構屬于輕量級程序，因此整體軟件僅需單個主程序即可實現。程序流程圖繪制如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

5 系統開發和測試

■5.1 開發環境與流程

系統開發環境方面，本文選取NI Multisim 14.0 作為電路設計平臺；選取keil μvision5 作為STM32 開發平臺；選取立創EDA 和華秋DFM 作為總體設計工具。

因此，本系統的總體開發流程可以簡化為：開啟信號源（RIGOL 任意波形發生器），隨機輸出調幅（AM）信號、調頻（FM）信號或載波信號，進入放大電路后進行分支，一路用于AM 信號檢波，一路用于FM 信號解調，得到預處理信號。在得到預處理信號后，輸入STM32 單片機進行檢測，并選取IGOL 示波器進行顯示。系統電源方面，選取RIGOL 可編程線性直流電源供能。

■5.2 電路仿真測試

通常情況下，為降低系統開發過程中的出錯概率，需要先使用計算機對整個系統進行仿真測試。由于當普通單音調幅信號（AM 信號）作為被測信號時，同時調用了所有模塊，具有一定代表性。因此在進行系統開發與硬件加工前，選取普通單音調幅信號（AM 信號）作為測試信號，進行模擬仿真。仿真軟件方面，本文選取NI Multisim 14.0 進行仿真測試。

仿真結果如圖7 所示。使用AM 檢波電路對AM 信號進行檢波，得到位于x 軸上方的半個包絡波。仿真測試結果較好，可以進行系統開發。

圖7 電路仿真測試

■5.3 調幅信號（AM 信號）測試

采用電壓峰峰值100mV 的普通單音調幅（AM），載頻為10MHz、調制信號為頻率1~3kHz 的正弦信號，進行測試。通過對比理論調制度和實際調制度，選取測量絕對誤差作為評估指標。結果數據表為表1。

表1 調幅信號測試結果

■5.4 調頻信號（FM 信號）測試

采用電壓峰峰值100mV 的普通單音調頻（FM），載頻為10MHz、調制信號為頻率3~5kHz 的正弦信號，進行測試。通過對比理論調制度和實際調制度，選取測量絕對誤差作為評估指標。結果數據表為表2。

表2 調頻信號測試結果

6 結語

本系統是一個測量通信信號調制度的系統裝置，能夠測量高頻信號的信號調制圖并輸出解調信號。本系統使用包絡檢波模塊對調幅（AM）信號進行檢波、使用NE564 解調模塊對調頻（FM）信號進行解調，配合基于THS3091 放大模塊的高頻放大器以及STM32 單片機，完成調制度的測量和解調信號的輸出，并能夠保證一定的精確度。本系統的設計和實現，是通信信號調制度相關研究的應用和成果轉化，為電子測量和信號調制領域的成果應用提供了一種可行方案。