目录
一前言
二 题目要求
1、任务
2、要求
3、说明
三 硬件设计思路
1.题目关键点
2.AM相关知识点
a.ma的计算
b.AM信号解调
3.FM相关知识点
a.FM解调
b.mf和Δfm的计算
4.硬件搭建思路
四.软件代码详解
1.波形判断的实现
a.ADC采样以及FFT分析
b.计算波峰个数
c.判断波形
2.扫频及频率判断的实现
3.参数计算的实现
a.ma的计算
b.mf和Δfm的计算
4.自动测频的实现
一前言
今年四天三夜的电赛,对于我来说终于算是圆满了,还记得去年大二的时候参加电赛,还是什么都不知道,跟着两个大三的学长组队,最后选择了E题,结果最后因为当时还没有学习高频,比赛过了两天才差不多看懂题目,最后草草收场,一无所得。
而今年,我做了充分的准备,由于我们实验室是偏向于做信号测量与处理的,为此今年能做的只有D和F题,F题和去年的E题有一点类似,但想到去年结果,让我对这类的题有点小阴影,但D题混沌信号发生器,虽然电路图简单,但是没有练习过,而F题对于我们来说第一问肯定可以做出来,最终,权衡再三,我们组选择了F题,经过四天三夜的不懈努力,我们也是最终完整的实现了题目要求。
为了纪念一下这个过程,特意写此博客,和大家分享一下我们做题的经历,以及编写代码的思想。在这篇文章中,你可以看到我们做F题的整体思路以及设计方案,由于我同时负责代码的编写,因此文章的重点将在算法这一方面,硬件方面我将只简单提一下如何搭建。
二 题目要求
1、任务
设计制作信号调制度测量装置,该装置测量并显示信号源输出的被测信号调制度等参数,识别并显示被测信号的调制方式,输出解调信号。
2、要求
(1)被测信号为电压峰峰值100mV的普通单音调幅(AM)电压uAM,其载频为10MHz、调制信号为频率1~3kHz的正弦信号。测量并显示uAM的调幅度ma,要求测量误差绝对值≤0.1;输出解调信号,要求解调信号波形无明显失真。 (20分)
(2)被测信号为电压峰峰值100mV的单音调频(FM)电压uFM,其载频为10MHz、调制信号为频率3~5kHz的正弦信号。测量并显示uFM的调频度mf,测量误差绝对值|Δ|≤0.3;测量并显示的最大频偏Δfm(kHz);输出解调信号,要求解调信号波形无明显失真。(25分)
(3)被测信号为载波电压峰峰值100mV的高频电压,其载频范围为10MHz~30MHz(频率步进间隔0.5MHz)。若为已调波(AM或FM波)时,其调制信号为频率范围5kHz~10kHz(频率步进间隔1kHz)内某一频率的正弦信号。测量装置应能自主识别的调制方式,即能判断出为调幅、调频或未调载波。测量并显示的调制度(或),测量误差要求分别同前面第 (1) 、(2)项的要求;当被测信号为调频波时,要求测量并显示其最大频偏(kHz);输出解调信号,要求解调信号波形无明显失真。(45分)
3、说明
(1)题中“普通单音调幅波”是指:载波为正弦波,调制信号为单频正弦信号,其频谱包括完整的载频与上、下边频分量。题中“单音调频波”是指:载波为正弦波,调制信号为单频正弦信号。
(2)本题被测信号为AM信号时,其调幅度范围是:0.2<ma≤1;被测信号为FM信号时,其调频度范围是:1<mf≤6;被测信号为未调载波,是指被测信号为正弦载波或连续波(CW)。本题第(3)项要求测量装置能自主识别出被测信号的三种可能调制方式。
(3)如测量装置需对被测信号进行A/D变换,应借鉴适用于对高频窄带信号抽样的“带通抽样定律”。“奈奎斯特抽样定律”亦称为“低通抽样定律”,它适于对基带信号的抽样。
(4)测试时可自带具有AM/FM调制信号输出功能的信号源,并以自带信号源输出信号的参数设置值作为测量基准值。
(5)要求第(3)项的操作必须是一键启动,装置应连续完成调制方式识别与调制度等参数的测量和显示,测量过程中不得有人工介入。
三 硬件设计思路
1.题目关键点
首先,阅读完题目之后,我们可以得出以下信息:
第一问 要求我们实现10MhZ载波下AM的解调以及ma的测量;
第二问要求我们实现10MhZ载波下FM的解调以及mf和Δfm的测量;
第三问要求我们实现在自动识别AM,FM,CW的情况下,自动测量10-30MhZ载波的对应参数。
由此,可以看出,F题的关键在于AM,FM的解调;ma,mf,Δfm的测量;AM,FM,CW的识别;以及自动测量这几个方面。
2.AM相关知识点
AM调幅信号具体表达式如下
uAM(t)=Uc[1+mf(t)]cos(wct) (2-1)
其中,Uc为调幅信号幅度,f(t)为调制信号,cos(wct)为载波,m即为ma。
当f(t)为正弦波sinxt(即题目要求的调制信号)时:
uAM(t) =Uccos(wct) +Ucmsinxtcos(wct)
=Uccos(wct) +Ucm/2( sin(xt+wct) + cos(xt-wct))
由此我们可以看出,AM信号中有三种频率的正弦波,分别是wc,(x+wc),(wc-x)。这正是AM的频谱分布,即,AM信号的频率分量=3,在之后我们会用到。
a.ma的计算
方法一:直接测AM信号的波峰和波谷幅度可得,公式如下:
ma = (A-B)/(A+B)=波谷/波峰 (2-2)
方法二:测量载波和调制信号幅度可得,公式如下:
ma = K Uc/Uf (2-3)
其中K为系数,受不同的调制方式影响,通常当调制方式确定后,K将不在改变,只需已知调制度ma的基础上,反推一次K即可。
当然,值得注意的是,当载波和调制信号经过相同的线性变化后,(2-3)仍可适用,只不过K会发生变化。
对于这次题目来说,直接测量波峰波谷幅度难度较大,为此采用公式(2-3)计算ma。而Uc与Uf 可以通过FFT分析AM波形得到。K系数的确定只需在搭建好系统后进行一次标定即可。
可能有些朋友对FFT比较陌生,只需要知道FFT是一种可以分析出周期信号的频谱和对应幅度的算法即可。
b.AM信号解调
AM信号大体有两种解调方法,相干解调和非相干解调,其中,非相干解调中的包络检波电路最为简单,只需检波二极管和电阻电容即可搭建,其中检波二极管推荐2AP9,针对此频段效果较好。
我们最开始采用包络检波,但之后发现了更好的方案,便进行的替代,具体方案在FM中细说。
3.FM相关知识点
FM调频信号具体表达式如下
uFM(t)=Uccos(wct+msinxt) (3-1)
其中,Uc为调频信号幅度,f(t)为调制信号,cos(wct)为载波,m即为mf。
由此可见,FM信号的相位会产生规律性的变化,由此体现在频谱上则是会在载波频率附近产生其他的频率分量,当mf>1时,总共的频率分量>3。
对于这道题,我们只需要知道以下几点:FM的解调方式以及mf和Δfm的计算。
a.FM解调
对于解调,如果不了解原理也没有关系,直接使用现有的FM解调模块即可,网上均有售卖,这不是这个题目的重点。我们则是采用了CD1691芯片,这是一个固定频率的AM,FM的集成解调模块,多在收音机中出现。模块原理图如图所示:
当然,这个模块依旧是有局限性的,其只能解调455K的AM信号和10.7MHz的FM信号,且15脚控制AM和FM模式的切换,即其无法自动识别AM和FM信号。
为了使用这个模块解调,我们需要将题目要求的信号频率转化到CD1691能够解调的频率范围去。为此,就需要用到混频,简单来说就是需要将其与一个指定频率的正弦波相乘,从而改变载波频率,原理公式如下:
sinxsiny = 1/2( sin(x+y) + cos(x-y) ) (3-2)
就是 利用积化和差公式实现混频,例如,当信号为10MHz的FM信号把其看作sinyt(实际上其并不是一个单一频率的信号,但其的频谱分布是在10MHz附近),我们只需要将其与频率为20.7M的正弦波sinxt相乘,就可以得到10.7MHz和30.7MHz两个频率的FM信号之和,将其送入CD1691模块中,其会解调出频率为10.7MHz的FM信号,而30.7MHz的则会自动过滤,从而实现FM信号的解调,AM解调也是同样的道理。
当然,具体操作起来仍有两个问题需要解决:
AM和FM信号的判断,由此控制CD1691模块处于AM/FM模式;
载波频率的判断,由此决定sinx频率;
PS:第二个问题是打算做第三问时考虑,第一,二问的载波频率固定为10MHz,相当于sinxt的频率也是固定的,对于AM,为9.55MHz,FM则20.7MHz。
对于第一个问题,很明显,需要我们根据AM和FM的不同的进行判断,而在二者最开始的介绍中,我已经有所提示,AM的频谱图上恒有3个波峰(频率分量恒为3),FM的频谱图上的波峰恒大于3(mf>1时,而题目正好要求mf>1)。这正是区别两种波形的依据。
那么,一提到分析信号的频谱。我们自然就会想到FFT算法,其是专门用来分析信号不同频率分量的算法。但其受限于采样频率fs,在实时采样中要求fs>2f(f为信号频率),FFT才能基本分析出信号频率,而根据经验来说,当 fs>5f 左右时,才可以基本分析准确。而再考虑到STM32系列的内置ADC实际采样频率最大为1MHz,10MHz及以上的信号根本无法直接进行采样。
因此,对于ADC的所需要采样的信号,同样需要进行信号处理,最简单的1办法也是进行混频,将其混至32可以采样的频段。在此,我采用的是混频至200kHz并且使用等效采样(为了不再受限于采样频率,提高准确度)的方式,在对混频后的信号进行(在此之前,需要过一个低通滤波器,把高频分量滤除)采样以及FFT分析,再通过数波峰个数的方法判断波形。这样,第一个问题就解决了。
对于第二个问题,其实也是通过判断频谱的方式解决,具体做法等到代码部分进行解释。
PS:由于FFT具体测频时需要注意的东西较多,之后我会再写一篇来介绍FFT和等效采样。
b.mf和Δfm的计算
原理就不解释了,直接上公式
mf = K Uo/fo (3-3)
Δfm =mf*fo=K Uo (3-4)
Uo为解调后的波形幅度,fo为解调后的波形频率,即为调制信号的频率,K为比例系数,由硬件具体电路决定。由这两个公式我们可以很明显地看出,其解调信号的幅度受其Δfm的影响,Δfm越大,幅度越大。
为此,我们只需要再输出部分利用峰值检波模块测量FM解调后信号的峰值再用ADC采集,再测出其的频率,即可得到mf和Δfm。
4.硬件搭建思路
由2和3,我们可以大体得到整个系统的框架,系统框架图如下:
通过使用DS4062函数信号发生器产生FM/AM信号,前级通过VCA821程控放大器进行放大,输入至两路AD835模拟乘法器,其中一路AD835模拟乘法器与AD9851本地追踪信号相乘后,通过无源LC低通滤波器滤除高频分量实现频谱搬移,后送入STM32嵌入式MCU进行频谱分析,实现当前调制模式的判断,以及AM情况下ma的计算,另一路信号通过AD835模拟乘法器与AD9854本地解调信号相乘后进入FM/AM选择模块,经过MCU进行调制识别后再送入FM/AM集成解调器进行解调,再将其送入AD8052放大器放大(方便FM时测幅度),若鉴定为调幅波输出解调波形;若鉴定为调频波,则将其中一路送入峰值检波,另一路送入自动增益控制系统,将其幅度进行增益放大(方便32进行测频),一路送入STM32嵌入式MCU进行频率识别,由此计算mf,另一路直接输出。
PS: 这里采用AD8052和VCA821是因为其高频特性较好。
最终电路搭建如下:
四.软件代码详解
1.波形判断的实现
a.ADC采样以及FFT分析
ADC采样使用定时器控制ADC进行采样,同时采用DMA传输节省资源实现,FFT则是直接调用官方库。ADC初始化不再赘述,详见附件代码,调用FFT函数进行FFT分析放法如下:
//进行FFT分析的方法//ADC_Value[i]为DMA下ADC采集到的数据//lBufOutArray为计算结果//GetPowerMag();是将lBufOutArray进行处理得到各个频率分量lBufMagArrayfor(i=0;i<NPT;i++){lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}cr4_fft_1024_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT); GetPowerMag();
b.计算波峰个数
在得到各个频率分量lBufMagArray后,我们则可以直接对其进行寻找峰值的操作,从而得到波峰个数,函数如下:
//a为lBufMagArray,返回值及为波峰个数int peak_count2(unsigned int *a){ int i,j,count = 0;unsigned int *pp = a; unsigned int aMax =0;for ( i=1; i aMax) {aMax = a[i]; } if ((a[i]>a[i+1])&&(a[i]>a[i-1])&&(a[i]>80)) //80是为过去峰值较小的频率,滤去干扰,可以根据实际情况调整 {count++; }pp++; }if(aMax 1500)count = 1;return count;}
c.判断波形
当对采集后的信号进行FFT分析和波峰个数的计数后,由AM,FM.CW(正弦波,只有一种频率,即波峰只有一个)的特征,便可判断出此时波形的类型,函数如下:
//AM,FM波形判断void wave_judge(){int i,j,cnt; u32 Fre2; POINT_COLOR=WHITE; BACK_COLOR=BLACK; for(i=0;i<NPT;i++){lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}cr4_fft_1024_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT); GetPowerMag();cnt = peak_count2(lBufMagArray);if(cnt <= 1){wave_status = CM; LCD_Fill(260,0, 320,170, BLACK); LCD_ShowString(270,180,25,30,24," CW ");} else if(cnt 3){wave_status = FM;GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_4); LCD_ShowString(270,180,25,30,24," FM "); //控制AD9854输出对应的sinx实现混频Fre2 = 20200000+500000*wc_cnt;AD9854_SetSine(Fre2,4000); delay_ms(500);//计数mf和频偏 show_mf();}}
2.扫频及频率判断的实现
扫频和频率判断的思路其实很简单,首先是扫频,之前已经提到过,不同频率的信号,想要将其混频至同一个频段,所需要乘的sinxt频率是不一样的,有着一一对应的关系,而当混频后的频率不在这个频段时,FFT分析出的频谱图上面理想情况是没有波峰的。而第三问的载波频率只有固定的40种,我们只需要依次使用对应的sinxt进行混频。判断FFT结果是否有波峰,如果没有,说明此时的sinxt不是当前载波频率所要的,再切换下一个sinxt继续判断,直到出现波峰时,说明此时混频成功,而由于不同的sinxt和载波频率是一一对应的关系,我们也就间接得到了此时的载波频率。
这就是扫频和频率判断的基本算法,具体扫频代码如下:
void scan_f(){int i,j,cnt;u8 str[20];{Fre = 9300000;//混频到200k}POINT_COLOR=WHITE; BACK_COLOR=BLACK; //依次设置两路DDS频率AD9854_SetSine (Fre ,4000);Write(Fre,Power_Down,0); //AD9851delay_ms(600);for(i=0;i<NPT;i++){lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}cr4_fft_1024_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT); GetPowerMag();lcd_show_fft(lBufMagArray); //数波峰个数cnt = peak_count2(lBufMagArray);wc_cnt = 0;for(j = 0;j<42;j++){if (cnt == 0)//说明未到达指定频率{//wc_cnt 设计的是全局变量,用于间接当前载波频率 wc_cnt = wc_cnt + 1;sprintf((char *)str," wc:%d ",wc_cnt); LCD_ShowString(260,458,60,30,12,(uint8_t *)str);Fre += 500000;//题目的信号步进为0.5MWrite(Fre,Power_Down,0); //AD9851 控制STM32采集那一路delay_ms(600);//给予DMA缓冲时间AD9854_SetSine (Fre ,4000);for(i=0;i<NPT;i++){lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}cr4_fft_1024_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT); GetPowerMag();cnt = peak_count2(lBufMagArray);}}}
波形判断以及改变对应输入CD1691的频率则交给wave_judge()进行。
这样就实现了一次扫频,如果想实现自动扫频只需要在此函数外多添加些条件即可,具体见后文。
3.参数计算的实现
a.ma的计算
之前提到过,其ma = K Uc/Uf
对于FFT分析后的频谱图,简单来说,就是次峰幅度/主峰幅度 * K,K需要标定。
对于我们的系统来说,K 计算下为2左右。代码如下
寻找峰值,次峰值代码:
//p为lBufMagArrayvoid lcd_print_fft(unsigned int *p){unsigned int *pp = p; unsigned int i = 0,j = 0,flag[NPT/2] ={0} ; float f[NPT/2]={0.00},a[NPT/2]={0.00};for(i=0;i10){f[j]=(float)i*Fs/NPT;a[j]=(float)*pp*(3.3/4096);flag[j] = i;j++;}pp++; }select_max(f,a,j,flag);}//寻找最大,次大值void select_max(float *f,float *a,unsigned int ij,unsigned int *flag){ int i,j; float aMax =0.0,aSecondMax = 0.0; float aMax_pr =0.0,aSecondMax_pr = 0.0; float fMax =0.0,fSecondMax = 0.0; int nMax=0,nSecondMax=0; for ( i = 1; i aMax) { aMax = a[i]; nMax=i; fMax=f[nMax]; } }for ( i=1; i aSecondMax&&a[i]>a[i+1]&&a[i]>a[i-1]) { aSecondMax = a[i]; nSecondMax=i; fSecondMax=f[nSecondMax]; } }//为了克服栅栏效应,减小误差aSecondMax_pr =sqrt(lBufMagArray[flag[nSecondMax]]*lBufMagArray[flag[nSecondMax]]+lBufMagArray[flag[nSecondMax]+1]*lBufMagArray[flag[nSecondMax]+1]+lBufMagArray[flag[nSecondMax]-1]*lBufMagArray[flag[nSecondMax]-1]+lBufMagArray[flag[nSecondMax]-2]*lBufMagArray[flag[nSecondMax]-2]+lBufMagArray[flag[nSecondMax]+2]*lBufMagArray[flag[nSecondMax]+2])*(3.3/4096); ma = ((aSecondMax_pr/aMax)*2);}
ma即为所求,当然,为了进一步减小误差,采用中值滤波法以及标定系数的方式实现,优化后的ma如下:
//采用中值滤波法减小误差void show_ma(){int i,j;float tmd[N_TMD];float temp;float ma_now;for(j=0;j<N_TMD;j++){for(i=0;i<NPT;i++){ lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}cr4_fft_1024_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT); GetPowerMag();lcd_print_fft(lBufMagArray); //ma为全局变量tmd[j] = ma;}//再次进行采样for( i=0;i<N_TMD-1;i++){ for( j=0;j tmd[j+1]){ temp = tmd[j]; tmd[j] = tmd[j+1]; tmd[j+1] = temp;}}}LCD_Fill(260, 0, 320,119, BLACK); LCD_Fill(260, 320, 320,360, BLACK); LCD_ShowString(275,120,30,20,16,"ma:");if(tmd[4] >0.89)ma_now = tmd[4]-0.03;if(tmd[4] <=0.89)ma_now = tmd[4]+0.08;LCD_ShowFloat3(260,150,ma_now,6,16); }
b.mf和Δfm的计算
由之前的公式 mf = K Uo/fo
可知,只需测得FM解调信号幅度以及频率便可得知mf和Δfm,幅度可以直接通过另一路ADC测量峰值检波输出即可,频率为了简化代码,直接采用定时器输入捕获测量,通常其用于测方波,但经过实际证明,当正弦波信号波谷在(0-300mv)时波峰在(1.9v-3.3v)时,其测量正弦波的频率误差同样很小,这也是在系统设计时FM解调输出接自动增益模块(AGC)的原因,为了保证幅度在此范围内。
在实际情况种,我们发现,不同频率段的K有较为明显的差别,为了减小误差,我对K值进行了分频段标定,最终测量代码如下:
//FM测频率int FM_fre(){int i,j;int tmd[N_FMf];int temp;for(j=0;j<N_FMf;j++){ tmd[j] = (int)((float)(2000000)/(float)(Rising_Last-Falling));}//冒泡排序for( i=0;i<N_FMf-1;i++){ for( j=0;j tmd[j+1]){ temp = tmd[j]; tmd[j] = tmd[j+1]; tmd[j+1] = temp;}}}//采用中值滤波return tmd[4];}//计算mf和频偏void show_mf(){float FM_f,range;float mf = 0,f_sh = 0;//标定比例系数Kfloat K[8] = {35.5,44,53,61,70,78,87,96};u8 str[20];//测频率FM_f = FM_fre();//测幅度range = Get_Adc_Average(ADC_Channel_0,5);{//9.9k以上if(FM_f >9900){f_sh = range*K[7];mf = f_sh/FM_f;}//8.9-9.9else if(FM_f >8900){f_sh = range*K[6];mf = f_sh/FM_f;}//7.9-8.9else if(FM_f >7900){f_sh = range*K[5];mf = f_sh/FM_f;}//6.9-7.9else if(FM_f >6900){f_sh = range*K[4];mf = f_sh/FM_f;}//5.9-6.9else if(FM_f >5900){f_sh = range*K[3];mf = f_sh/FM_f;}//4.9-5.9else if(FM_f >4900){f_sh = range*K[2];mf = f_sh/FM_f;}//3.9-4.9else if(FM_f >3900){f_sh = range*K[1];mf = f_sh/FM_f;}//2.9-3.9else if(FM_f >2900){f_sh = range*K[0];mf = f_sh/FM_f;}} sprintf((char *)str,"F:%d ",(int)FM_f);LCD_ShowString(260,320,60,30,12,(uint8_t *)str); sprintf((char *)str,"A:%d ",Get_Adc_Average(ADC_Channel_0,5));LCD_ShowString(260,340,60,30,12,(uint8_t *)str);LCD_ShowString(275,0,30,20,16,"mf:");LCD_ShowFloat3(260,30,mf,6,16);LCD_ShowString(275,60,30,20,16,"f_sh");LCD_ShowxNum(270,90,(u32)f_sh,5,12,0);LCD_Fill(260, 120, 320,170, BLACK); }
4.自动测频的实现
由于我们最终将三问都做出来了,因此直接使用的第三问代码,同样可以测量前两问(无非载波频率不一样),为了实现定时判断当前状态,采用了状态机的原理,通过记录次态和现态来实现。最终主函数如下:
int main(void) {int i,cnt2; u8 key; u32 Fre3; u8 str[20]; delay_init(); uart_init(115200); LCD_Init(); KEY_Init(); {TIM1_Int_Init(189-1,2-1);//200kHz } TIM2_Cap_Init(); GPIO_AD9854_Configuration();AD9851_Configuration(); delay_ms(50);AD9854_Init (); Adc_Init2();ADC1_Configuration(); DMA_Configuration(); LCD_Clear(BLACK); POINT_COLOR=WHITE; BACK_COLOR=BLACK; { Fre = 9300000; }delay_ms(50);AD9854_SetSine(Fre ,4000);Write(Fre,Power_Down,0);while(1){//自动测量程序{ delay_ms(500);for(i=0;i<NPT;i++){lBufInArray[i]=ADC_Value[i]<<16;}cr4_fft_1024_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT); GetPowerMag();lcd_show_fft(lBufMagArray);cnt2 = peak_count2(lBufMagArray);if(cnt2 == 0)//说明此时载波频率发生了变化{scan_f();wave_judge();}else//载波频率未变{if(cnt2 3) wave_status_now = FM;//设置现态为FM//当上一次状态和此时均为AM时if(wave_status == AM && wave_status_now == AM){//再一次计算mashow_ma(); //更新现态wave_status = AM;}//同理if(wave_status == FM&& wave_status_now == FM){ show_mf();wave_status = FM;}//说明载波类型发生了变化,而载波频率未变if(wave_status == AM && wave_status_now == FM){ //切换输出通道 GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_4); //再次扫频scan_f(); wave_judge();}if(wave_status == FM && wave_status_now == AM){ //切换输出通道GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_4); scan_f(); wave_judge();} }}} }
最后,附上详细过程,有需要的可以下载参考:
2022电赛F题信号调制度测量代码详细-嵌入式文档类资源-CSDN文库