信号调制度测量装置的研制

刘星，徐伟，夏宇辰，何纯生

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏南京，210044）

0 引言

所谓信号的调制，就是把携带着一些信息的信号，“调制”到载波信号上去；而所谓的信号的解调，就是把信号从载波上恢复出原始的信号。信号调制的目的，是把需要传输的原始信息在时域、频域，或者码域上进行处理，以达到用尽量小的带宽传输尽量多的信息。

随着社会信息化脚步的不断加快，对于信号调制与解调的需求也在不断地加大，在一些中小规模的信号接收装置中往往需要一种简单便捷的信号解调方案，而目前的大部分解调方案采用同步解调，例如在信号接收机中常采用的混频器与FPGA 的实现方案，采用混频器将接收到的信号下变频至中频，由FPGA 解调中频信号。其电路需要实现载波同步，电路较为复杂，不易实现，成本较高；在另一种方案中采用单片机外接高速ADC 的方案，同样存在成本较高，软件较难实现的问题。

基于锁相环芯片NE564 和二极管检波电路所设计一种电路结构简单、低成本的AM/FM 解调装置。对于AM 信号，采用前级放大调理后通过二极管检波的方式进行AM 信号的解调，对于FM 信号，采用基于NE564 的锁相环芯片实现FM 信号的解调，不需要恢复本地载波，并且具有较强的抗噪声性能，通过一系列测试获得了理想的数据，实现了解调信号的要求，从而证实了本装置的实用与易用的特性。

1 系统总体方案

信号源输出信号的测量与解调要求控制器具有一定的数据处理能力和强大的控制能力。ST 意法半导体公司研发的STM32F103ZET6 单片机具有72MHz CPU 的速度和高达1MВ 的闪存、软核ARMCortex-M332 位闪存微控制器，工作时具有低功率、低电压，并结合了实时功能的极佳性能。非常适合信号源输出信号调制度等参数的测量与开发。

整机系统以STM32F103 单片机为控制核心，系统搭配包络检波电路和NE564 解调电路实现对已调波的解调，系统将输出的信号经过调理后分别接入AM 模块和FM 模块，通过ADC 的双通道采集进行波形数据的分析计算进而比对出AM/FM 波和未调载波。测量结果将在LCD 显示屏上显示，同时如果系统检测到安卓手机终端在线的话，还将把测试结果通过WiFi 传输至手机端显示。系统的启停、参数的设置可以通过功能按键设置，也可通过连接手机终端进行操作。系统的总体结构框图如图1 所示。

图1 系统总体结构框图

2 硬件设计

根据系统设计的总体思路，主要的硬件模块包括加法器电路、放大器电路、包络检波电路、FM 解调电路以及串口屏模块，ESP8266 WiFi 模块。

■2.1 三路加法器模块

加法器电路，在信号中加入一个直流偏置电压，使得信号进行一个整体的抬升，三路加法器的电路设计如下，三路加法电路如图2 所示。

图2 三路加法器电路

从电源分压取直流信号，通过加法器电路结构实现电平抬升功能，加该图为同相加法器电路，同相加法器一般原理图如图3 所示。

图3 同相加法器原理图

这是一个加权加法器，对应输入电阻越大，该路的输入信号权重越小，当同相端电阻并联等于反相端电阻时，电路的输出公式如下：

■2.2 OPA690 放大器模块

采用OPA690 构成的高速放大器模块，OPA690 对单位增益稳定有很大作用，电压反馈运放。用单电源+5V 供电，OPA690 能驱动一个1V 到4V 输出摆动，以及150mA 驱动电流，150MHz 带宽。其带宽特性非常适用于该系统的设计。OPA690 放大器模块对信号发生器的高速小信号进行放大后以方便后级的信号处理。

■2.3 下变频电路设计

信号接收端选用混频器AD607 和高频锁相环NE564，AD607 内部带有自动增益控制(AGC)，与外部电容配合构成的AGC 回路可以保持输出幅值稳定。接收端先用AD607。

信号与有源晶振产生的50MHz 本振信号进行混频，然后用一个中心频率为1.5MHz 的无源滤波器滤除多余频带，下变频电路如图4 所示。

图4 下变频电路

■2.4 解调电路设计

下变频电路将信号载波频率降至1.5MHz 后，输入到锁相环NE564 中进行解调。电路如图5 所示。

图5 解调电路

■2.5 包络检波电路设计

大信号检波和二极管整流的过程相同。输入信号为正并超过和上的时，二极管导通，信号通过二极管向充电，此时随充电电压上升而升高。当下降且小于时，二极管反向截止，此时停止向充电，通过放电，随放电而下降。该电路可以很好地解调AM 信号，并且通过跟随器后进行送给单片机进行ADC 采样。包络检波电路如图6 所示。

图6 包络检波电路

3 软件设计

■3.1 主要模块程序设计

FM 解调分析与计算：

采用混频器下变频，得到低频FM 信号，并由集成锁相环芯片进行解调。解调时，根据中心载波频率，合理设置用于控制频率的电容的参数，关系式为：

其中，C1为外部电容，Cs为杂散电容，Rc=100Ω。

载波和调制信号分离分析与计算：

使用FIR 滤波器，将解调得到的基带信号分别进行低通滤波得到频带为1Hz～10kHz 的调制信号直接示波器输出。

解调频漂处理分析与计算：

解调电路采用锁相环，能够自适应信号源载波频率的漂移。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。鉴相器检测输入信号与输出信号的相位差，并将相位差转化为电压信号，关系式为：

通过环路滤波器得到u(D)的差频成分uc(t)，控制压控振荡器的输出频率，当uc(t)为定值时，相位被锁定。在接收机的调频电路中，锁相环能够跟踪FM 信号的载波频率变化，能够成功解调信号。

■3.2 软件程序设计

STM32 控制多路开关的通道开关，当按下AM 模式按钮选择，只打开通道A，通过STM32 进行ADC 采样测出幅度的最大值Max 和最小值Min。调幅度可根据公式：

当按下FM 模式按钮选择，只打开通道В,ADC 采样检测峰峰值，由公式(5)计算频偏：

程序流程图如图7 所示。

图7 程序流程图

4 数据测试

为验证系统的测试性能，对AM 波与FM 波进行测试，当信号源输出信号为电压峰峰值100mV 的普通单音调幅(AM)电压，其载频为10MHz、20MHz、30MHz、调制信号为频率1kHz，5kHz，10kHz 的正弦信号，观察示波器和显示屏结果。此为AM 波信号调幅测试方案。如表1 所示。

表1 AM信号输入测试结果表

关于调幅度测试方案：在不同的调制信号基础上改变深度测量调幅度。当被检测到的信号源输出信号为电压峰峰值100mV 的单音调频（FM）电压，其载频为10MHz、调制信号为频率3～5kHz 的正弦信号。解调后波与示波器相连，观察波形及其频率。并接入单片机，观察串口屏信息。如表2 所示。

表2 FM信号输入测试结果表

通过搭建的实验平台，对系统进行测试，得到如下结论：

（1）系统测得的调幅度/调频度与理论值相差在10%以内，载波带宽可达到40MHz。基波变化频率在1kHz 以上误差伴随减少，因为系统的采样点数一定频率越大采得的周期越多。

（2）系统采用频谱搬移具有稳定的测量精度。采用频谱搬移显著地降低了采样点数和时钟频率的要求，使得精度在误差限制在100Hz 上。这为系统的测量奠定了基础。

（3）系统采用等精度方法测量脉冲的频率，保证了在整个频带范围内测量的相对误差与信号的频率大小无关。

5 结语

系统充分结合STM32 单片机实时性能高、控制灵活的特点和多模块联合实现了信号快速采集、处理、测量、调理、解调、传输、显示的高度集成，对信号源输出信号多种参数检测和识别显示有着重大意义与研究价值。

系统采用基于锁相环芯片NE564 和二极管检波电路所搭建的一种电路结构简单且低成本的适用于小型信号接收机的AM/FM 解调装置，实现了信号的调理，AM/FM 的解调、采集、处理及显示，解决了现有测量装置存在的高成本，复杂程度高的问题，为信号的解调装置提供了一种简便的解决思路。

由于本系统依赖于硬件电路对信号进行解调，同时出于对本系统的便携性考虑，在电磁屏蔽和抗干扰方面需要进行更精细的设计。另外，如何对系统的稳定性进行改进也是值得思考的问题。