基于STM32的高頻無線調(diào)制信號分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線調(diào)制信號分析儀在無線電監(jiān)測、科學(xué)化管理方面有重要的實用意義。文章基于STM32嵌入式平臺，采用二次變頻芯片MC13135接收并解調(diào)出調(diào)制信號，并通過FFT算法分析處理，設(shè)計實現(xiàn)了一套新型的無線監(jiān)測管理設(shè)備。測試結(jié)果表明，該信號分析儀能夠快速準(zhǔn)確的探測無線電管理地域內(nèi)的無線電信號，并能實時反饋被測信號的通信技術(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，特別是無線通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，無線電監(jiān)管也正在逐步強(qiáng)化。無線電技術(shù)是以電磁波的形式傳播各種信號，顯然單憑人力難以做到對其進(jìn)行有效地監(jiān)控。因此無線電監(jiān)測設(shè)備對無線調(diào)制信號的監(jiān)管顯得十分重要。在改革開放三十年來，我國各省市無線電管理部門都有不同程度的增加，然而作為無線電管理重要技術(shù)手段的無線調(diào)制信號分析設(shè)備受到價格、技術(shù)等因素的限制未能得到廣泛的應(yīng)用。因此，高性價比的無線調(diào)制信號監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)成了無線電監(jiān)管中一個亟需解決的問題。

本文源于湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃專項課題，應(yīng)用無線電技術(shù)和FFT算法理論，借助嵌入式軟硬件平臺，重點針對高頻無線信號的解調(diào)、檢波及相關(guān)頻譜分析等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了無線電監(jiān)測設(shè)備設(shè)計的高效性和便攜性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，本設(shè)計利用自動掃頻捕獲不同的載頻信號，信號經(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)行信號頻譜特征提取加以分析識別，并將分析結(jié)果顯示出來。系統(tǒng)硬件部分包括信號接收與預(yù)處理電路、STM32嵌入式硬件平臺和人機(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

調(diào)制信號在進(jìn)入系統(tǒng)之前，首先要進(jìn)行預(yù)處理。具體到無線調(diào)制信號分析儀系統(tǒng)來說，天線接收的是高頻信號，需要下變頻得到中頻信號，高保真解調(diào)信號對于后續(xù)的信號識別尤為關(guān)鍵，自動掃頻、解調(diào)、包絡(luò)檢波等這些都需要在預(yù)處理中完成。

2.1 自動掃頻的實現(xiàn)

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

2.2 解調(diào)及檢波電路設(shè)計

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信號的解調(diào)輸出口，來自二次變頻后的信號，經(jīng)過包絡(luò)檢波網(wǎng)絡(luò)，最終可從載波中解調(diào)出AM及ASK信號。

對于信號識別系統(tǒng)而言，包絡(luò)檢波網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計關(guān)乎到調(diào)制信號能否得到準(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，輸入信號向C充電，充電時常數(shù)為RC;二極管截止時，C向R放電。在輸入信號作用下，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，輸出信號跟蹤了輸入信號的包絡(luò)。如果參數(shù)選擇不當(dāng)，二極管包絡(luò)檢波器會產(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，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點接觸型二極管，工作頻率150MHz以上，極間電容小于1pF，導(dǎo)通門限壓為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

檢波管后級低頻電壓放大器總輸入電阻(此處即本級負(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

來估算，R=R28+R30=0.68kΩ+5.1kΩ=5.78kΩ。系統(tǒng)設(shè)定調(diào)制信號最大頻率為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)計既防止了解調(diào)信號的惰性失真和負(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)計滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

3 FFT算法與系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 FFT算法

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

用FFT對模擬信號進(jìn)行頻譜分析時，首先需要對模擬信號進(jìn)行AD采樣，假設(shè)輸入模擬信號頻率為f，AD采樣頻率為Fs，對采樣得到的數(shù)據(jù)做FFT變換。在FFT變換中有幾個重要參數(shù)：最大可分辨頻率Fmax、頻率分辨率F、采樣點數(shù)N、抽樣長度T。各個參數(shù)關(guān)系如下：

最大可分辨頻點數(shù)：M=1+(fh-f1)/F (1)

最低采樣頻率：fs=2fh (2)

最小采樣點數(shù)：N=fs/F (3)

最小采樣時間：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或者增加采樣點數(shù)N。

在嵌入式系統(tǒng)平臺下，本設(shè)計針對典型的周期信號進(jìn)行頻譜的分析，能夠有效地得到典型周期信號的各次諧波分量。

3.2 調(diào)制信號波形的識別

取采樣頻率為輸入信號頻率的3倍，采集32點，進(jìn)行FFT變換，得到周期典型信號的頻譜圖，根據(jù)典型周期信號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序列的DFT逐次分解為較短序列的DFT。N點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X(K)序列值，便可描得出信號的頻譜圖。

方波和正弦波以傅里葉級數(shù)展開，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，信號幅度是基波的奇數(shù)倍的倒數(shù)，而正弦波信號是單一頻率的周期信號，因此可解調(diào)出信號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)制信號進(jìn)行預(yù)處理，區(qū)分出調(diào)頻或調(diào)幅信號后，再根據(jù)FFT分析出基帶信號為正弦波或方波，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)行自動掃頻程序，不斷調(diào)整MC13135的第一本振，直到檢測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)入信號分析流程。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 技術(shù)指標(biāo)

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

(2)自動測量通信信號的輸入信號載波頻率和調(diào)制信號頻率，測量值的準(zhǔn)確度優(yōu)于2%;

(3)自動判別射頻信號的調(diào)制方式：無調(diào)制載波信號、AM、FM、ASK、FSK;

(4)正常識別條件下，接收機(jī)靈敏度≤100 μV。

4.2 測試結(jié)果及分析

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

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

5 結(jié)論

經(jīng)過實際標(biāo)測，本系統(tǒng)目前能夠識別4種高頻調(diào)制信號。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)識別更多復(fù)雜的調(diào)制信號，增強(qiáng)捕獲能力。在本項目的基礎(chǔ)上通過改進(jìn)能應(yīng)用于無線考試監(jiān)測系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、無線尋呼系統(tǒng)等多種場合;在本項目的基礎(chǔ)上結(jié)合2.5G數(shù)據(jù)通信，亦可以實現(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)，實現(xiàn)城市導(dǎo)航、位置信息等新型服務(wù)。