基于STM32的高頻無(wú)線調(diào)制信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線調(diào)制信號(hào)分析儀在無(wú)線電監(jiān)測(cè)、科學(xué)化管理方面有重要的實(shí)用意義。文章基于STM32嵌入式平臺(tái)，采用二次變頻芯片MC13135接收并解調(diào)出調(diào)制信號(hào)，并通過(guò)FFT算法分析處理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套新型的無(wú)線監(jiān)測(cè)管理設(shè)備。測(cè)試結(jié)果表明，該信號(hào)分析儀能夠快速準(zhǔn)確的探測(cè)無(wú)線電管理地域內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)，并能實(shí)時(shí)反饋被測(cè)信號(hào)的通信技術(shù)參數(shù)、工作特征等信啟。

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是無(wú)線通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，無(wú)線電監(jiān)管也正在逐步強(qiáng)化。無(wú)線電技術(shù)是以電磁波的形式傳播各種信號(hào)，顯然單憑人力難以做到對(duì)其進(jìn)行有效地監(jiān)控。因此無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)無(wú)線調(diào)制信號(hào)的監(jiān)管顯得十分重要。在改革開(kāi)放三十年來(lái)，我國(guó)各省市無(wú)線電管理部門(mén)都有不同程度的增加，然而作為無(wú)線電管理重要技術(shù)手段的無(wú)線調(diào)制信號(hào)分析設(shè)備受到價(jià)格、技術(shù)等因素的限制未能得到廣泛的應(yīng)用。因此，高性價(jià)比的無(wú)線調(diào)制信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)成了無(wú)線電監(jiān)管中一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

本文源于湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃專項(xiàng)課題，應(yīng)用無(wú)線電技術(shù)和FFT算法理論，借助嵌入式軟硬件平臺(tái)，重點(diǎn)針對(duì)高頻無(wú)線信號(hào)的解調(diào)、檢波及相關(guān)頻譜分析等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)的高效性和便攜性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，本設(shè)計(jì)利用自動(dòng)掃頻捕獲不同的載頻信號(hào)，信號(hào)經(jīng)由單片調(diào)頻芯片MC13135解調(diào)及預(yù)處理后，送至STM32嵌入式處理器進(jìn)行信號(hào)頻譜特征提取加以分析識(shí)別，并將分析結(jié)果顯示出來(lái)。系統(tǒng)硬件部分包括信號(hào)接收與預(yù)處理電路、STM32嵌入式硬件平臺(tái)和人機(jī)界面等一些外圍電路模塊;軟件部分包括移植到STM32平臺(tái)上的FFT算法、系統(tǒng)控制、串口通信等軟件模塊。

2 預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

調(diào)制信號(hào)在進(jìn)入系統(tǒng)之前，首先要進(jìn)行預(yù)處理。具體到無(wú)線調(diào)制信號(hào)分析儀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，天線接收的是高頻信號(hào)，需要下變頻得到中頻信號(hào)，高保真解調(diào)信號(hào)對(duì)于后續(xù)的信號(hào)識(shí)別尤為關(guān)鍵，自動(dòng)掃頻、解調(diào)、包絡(luò)檢波等這些都需要在預(yù)處理中完成。

2.1 自動(dòng)掃頻的實(shí)現(xiàn)

由MC13135工作原理可知，變更第一本振頻率便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻功能。本設(shè)計(jì)中，第一本振由DDS函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)向DDS集成芯片AD9851配置不同的指令實(shí)現(xiàn)第一本振頻率的自動(dòng)更新，繼而達(dá)到掃頻的目的。

2.2 解調(diào)及檢波電路設(shè)計(jì)

MC13135是單片調(diào)頻接收電路，它集成了天線輸入至音頻輸出的二次變頻全部電路，音頻輸出端口便可作為FM及FSK信號(hào)的解調(diào)輸出口，來(lái)自二次變頻后的信號(hào)，經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波網(wǎng)絡(luò)，最終可從載波中解調(diào)出AM及ASK信號(hào)。

對(duì)于信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)而言，包絡(luò)檢波網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計(jì)關(guān)乎到調(diào)制信號(hào)能否得到準(zhǔn)確分析。二極管包絡(luò)檢波器主要由二極管和RC低通濾波電路組成。二極管導(dǎo)通時(shí)，輸入信號(hào)向C充電，充電時(shí)常數(shù)為RC;二極管截止時(shí)，C向R放電。在輸入信號(hào)作用下，二極管導(dǎo)通和截止不斷重復(fù)，直到充放電達(dá)到平衡后，輸出信號(hào)跟蹤了輸入信號(hào)的包絡(luò)。如果參數(shù)選擇不當(dāng)，二極管包絡(luò)檢波器會(huì)產(chǎn)生惰性失真和負(fù)峰切割失真。本系統(tǒng)包絡(luò)檢波網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。

2.2.1 檢波電路二極管的選擇

檢波二極管采用2AP9點(diǎn)接觸型二極管，工作頻率150MHz以上，極間電容小于1pF，導(dǎo)通門(mén)限壓為0.2～0.3V，因此在二極管正極加一靜態(tài)正偏壓，抵消其門(mén)限電壓，導(dǎo)通電阻rd約為100 Ω。

2.2.2 檢波電路負(fù)載電阻R28、R30的選擇

檢波管后級(jí)低頻電壓放大器總輸入電阻(此處即本級(jí)負(fù)載電阻R33)一般為2.5k。因此，為滿足避免底部切割失真條件

(RΩ為交流負(fù)載電阻，R為直流負(fù)載電阻)，R一般選為5～10kΩ。又根據(jù)分負(fù)載條件式R28=(0.1～0.2)R30，取R30=5.1kΩ，即可得：R28=0.133 R30=680 Ω，這時(shí)交流負(fù)載電阻：

系統(tǒng)要求調(diào)幅度ma為不小于0.3，由上式可知該負(fù)載電阻的選擇滿足避免底部切割失真的條件。

2.2.3 檢波電路負(fù)載電容C43、C44的選擇

由高頻電子線路原理可知，電容C43、C44可由式

來(lái)估算，R=R28+R30=0.68kΩ+5.1kΩ=5.78kΩ。系統(tǒng)設(shè)定調(diào)制信號(hào)最大頻率為fmax=1.0kHz，故Ωmax=2π×1.0×103，求得C小于27.5nF，此處取C43=C44=4700pF。這一取值也足以滿足避免惰性失真的條件：

綜上所述，該檢波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)既防止了解調(diào)信號(hào)的惰性失真和負(fù)峰切割失真，又避免了其頻率失真和非線性失真，電路器件參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

3 FFT算法與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 FFT算法

FFT變換屬于數(shù)字信號(hào)處理一種常用算法，通過(guò)FFT變換將信號(hào)由時(shí)域變換到頻域，在頻域?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)特征的提取。該分析方法硬件電路簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、精度和穩(wěn)定度高。FFT算法的基本思想是把長(zhǎng)序列的DFT逐次分解為較短序列的DFT。

用FFT對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，首先需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行AD采樣，假設(shè)輸入模擬信號(hào)頻率為f，AD采樣頻率為Fs，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)做FFT變換。在FFT變換中有幾個(gè)重要參數(shù)：最大可分辨頻率Fmax、頻率分辨率F、采樣點(diǎn)數(shù)N、抽樣長(zhǎng)度T。各個(gè)參數(shù)關(guān)系如下：

最大可分辨頻點(diǎn)數(shù)：M=1+(fh-f1)/F (1)

最低采樣頻率：fs=2fh (2)

最小采樣點(diǎn)數(shù)：N=fs/F (3)

最小采樣時(shí)間：TPmin=1/F (4)

由式(3)可以看出，要想提高FFT的分辨率F，就必須要減小采樣率fs或者增加采樣點(diǎn)數(shù)N。

在嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)下，本設(shè)計(jì)針對(duì)典型的周期信號(hào)進(jìn)行頻譜的分析，能夠有效地得到典型周期信號(hào)的各次諧波分量。

3.2 調(diào)制信號(hào)波形的識(shí)別

取采樣頻率為輸入信號(hào)頻率的3倍，采集32點(diǎn)，進(jìn)行FFT變換，得到周期典型信號(hào)的頻譜圖，根據(jù)典型周期信號(hào)各次諧波分量的差別，可以很方便地分辨出不同的波形。

根據(jù)FFT算法的基本原理把長(zhǎng)序列的DFT逐次分解為較短序列的DFT。N點(diǎn)DFT變換為

式中，

稱為旋轉(zhuǎn)因子，周期為N。經(jīng)FFT后得到各點(diǎn)X(K)序列值，便可描得出信號(hào)的頻譜圖。

方波和正弦波以傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，其數(shù)學(xué)模型為：

其中，w=2π/T。從以上模型可以看出，方波的頻譜由基波和諧波組成(無(wú)偶次諧波)，且各諧波幅度依次遞減，奇次諧波頻率為基波頻率的奇數(shù)倍時(shí)，信號(hào)幅度是基波的奇數(shù)倍的倒數(shù)，而正弦波信號(hào)是單一頻率的周期信號(hào)，因此可解調(diào)出信號(hào)x(t)。經(jīng)STM32的內(nèi)部ADC采樣得到x(n)，然后在STM32中作FFT得到其頻譜x(k)，查找出基波和三次諧波。頻率存在3倍關(guān)系，且幅度存在1/3倍的關(guān)系則可以判斷是方波，若不滿足此關(guān)系則是正弦波。調(diào)制信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，區(qū)分出調(diào)頻或調(diào)幅信號(hào)后，再根據(jù)FFT分析出基帶信號(hào)為正弦波或方波，便可進(jìn)一步判斷是何種解調(diào)方式。

3.3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)上電后，STM32執(zhí)行自動(dòng)掃頻程序，不斷調(diào)整MC13135的第一本振，直到檢測(cè)MC13135的第9腳輸出的頻率為455kHz停止掃頻。掃頻停止后系統(tǒng)進(jìn)入信號(hào)分析流程。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 技術(shù)指標(biāo)

(1)高頻信號(hào)分析儀能夠自動(dòng)掃描、捕捉、分析和識(shí)別通信信號(hào)，載波工作頻率范圍：15～50MHz;

(2)自動(dòng)測(cè)量通信信號(hào)的輸入信號(hào)載波頻率和調(diào)制信號(hào)頻率，測(cè)量值的準(zhǔn)確度優(yōu)于2%;

(3)自動(dòng)判別射頻信號(hào)的調(diào)制方式：無(wú)調(diào)制載波信號(hào)、AM、FM、ASK、FSK;

(4)正常識(shí)別條件下，接收機(jī)靈敏度≤100 μV。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

用EE1482型合成信號(hào)發(fā)生器和SU3080函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)已調(diào)制好的信號(hào)(載波幅度≤100 μV，調(diào)制信號(hào)幅度≤100mV)，利用天線發(fā)射出去。通過(guò)接收機(jī)收到信號(hào)進(jìn)行分析后(天線長(zhǎng)度不要大于30cm)，通過(guò)人機(jī)交互界面(觸屏)觀察并和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比對(duì)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1可知，在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)能夠精確測(cè)量出載波頻率以及判別出調(diào)制信號(hào)類型，且測(cè)量頻率。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際標(biāo)測(cè)，本系統(tǒng)目前能夠識(shí)別4種高頻調(diào)制信號(hào)。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，下一步工作將著重于優(yōu)化匹配算法和電路，以期能夠解調(diào)識(shí)別更多復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)，增強(qiáng)捕獲能力。在本項(xiàng)目的基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)能應(yīng)用于無(wú)線考試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、無(wú)線尋呼系統(tǒng)等多種場(chǎng)合;在本項(xiàng)目的基礎(chǔ)上結(jié)合2.5G數(shù)據(jù)通信，亦可以實(shí)現(xiàn)公眾安全監(jiān)控、交通流量監(jiān)控、城市應(yīng)急處置;或結(jié)合GPS和3G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市導(dǎo)航、位置信息等新型服務(wù)。