基于STM32的高頻無線調制信號分析儀的設計與實現

摘要：隨著無線通信技術的發(fā)展，無線調制信號分析儀在無線電監(jiān)測、科學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接收并解調出調制信號，并通過FFT算法分析處理，設計實現了一套新型的無線監(jiān)測管理設備。測試結果表明，該信號分析儀能夠快速準確的探測無線電管理地域內的無線電信號，并能實時反饋被測信號的通信技術參數、工作特征等信啟。

0 引言

隨著電子技術的快速發(fā)展，特別是無線通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，無線電監(jiān)管也正在逐步強化。無線電技術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行有效地監(jiān)控。因此無線電監(jiān)測設備對無線調制信號的監(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手段的無線調制信號分析設備受到價格、技術等因素的限制未能得到廣泛的應用。因此，高性價比的無線調制信號監(jiān)測設備的設計與實現成了無線電監(jiān)管中一個亟需解決的問題。

本文源于湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃專項課題，應用無線電技術和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、檢波及相關頻譜分析等方面進行優(yōu)化設計，實現了無線電監(jiān)測設備設計的高效性和便攜性。

1 系統總體設計

系統總體設計方案如圖1所示，本設計利用自動掃頻捕獲不同的載頻信號，信號經由單片調頻芯片MC13135解調及預處理后，送至STM32嵌入式處理器進行信號頻譜特征提取加以分析識別，并將分析結果顯示出來。系統硬件部分包括信號接收與預處理電路、STM32嵌入式硬件平臺和人機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、系統控制、串口通信等軟件模塊。

2 預處理電路設計

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

2.1 自動掃頻的實現

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

2.2 解調及檢波電路設計

MC13135是單片調頻接收電路，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信號的解調輸出口，來自二次變頻后的信號，經過包絡檢波網絡，最終可從載波中解調出AM及ASK信號。

對于信號識別系統而言，包絡檢波網絡電路的設計關乎到調制信號能否得到準確分析。二極管包絡檢波器主要由二極管和RC低通濾波電路組成。二極管導通時，輸入信號向C充電，充電時常數為RC;二極管截止時，C向R放電。在輸入信號作用下，二極管導通和截止不斷重復，直到充放電達到平衡后，輸出信號跟蹤了輸入信號的包絡。如果參數選擇不當，二極管包絡檢波器會產生惰性失真和負峰切割失真。本系統包絡檢波網絡電路設計，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，導通電阻rd約為100 Ω。

2.2.2 檢波電路負載電阻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為交流負載電阻，R為直流負載電阻)，R一般選為5～10kΩ。又根據分負載條件式R28=(0.1～0.2)R30，取R30=5.1kΩ，即可得：R28=0.133 R30=680 Ω，這時交流負載電阻：

系統要求調幅度ma為不小于0.3，由上式可知該負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。系統設定調制信號最大頻率為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，該檢波網絡的設計既防止了解調信號的惰性失真和負峰切割失真，又避免了其頻率失真和非線性失真，電路器件參數選擇與設計滿足系統設計需求。

3 FFT算法與系統軟件設計

3.1 FFT算法

FFT變換屬于數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，在頻域實現對信號特征的提取。該分析方法硬件電路簡單、應用靈活、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對模擬信號進行頻譜分析時，首先需要對模擬信號進行AD采樣，假設輸入模擬信號頻率為f，AD采樣頻率為Fs，對采樣得到的數據做FFT變換。在FFT變換中有幾個重要參數：最大可分辨頻率Fmax、頻率分辨率F、采樣點數N、抽樣長度T。各個參數關系如下：

最大可分辨頻點數：M=1+(fh-f1)/F (1)

最低采樣頻率：fs=2fh (2)

最小采樣點數：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N。

在嵌入式系統平臺下，本設計針對典型的周期信號進行頻譜的分析，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，進行FFT變換，得到周期典型信號的頻譜圖，根據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，

稱為旋轉因子，周期為N。經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展開，其數學模型為：

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倍時，信號幅度是基波的奇數倍的倒數，而正弦波信號是單一頻率的周期信號，因此可解調出信號x(t)。經STM32的內部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倍關系，且幅度存在1/3倍的關系則可以判斷是方波，若不滿足此關系則是正弦波。調制信號進行預處理，區(qū)分出調頻或調幅信號后，再根據FFT分析出基帶信號為正弦波或方波，便可進一步判斷是何種解調方式。

3.3 系統軟件流程

系統上電后，STM32執(zhí)行自動掃頻程序，不斷調整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。掃頻停止后系統進入信號分析流程。系統軟件流程圖如圖3所示。

4 實驗結果及分析

4.1 技術指標

(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制信號頻率，測量值的準確度優(yōu)于2%;

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

(4)正常識別條件下，接收機靈敏度≤100 μV。

4.2 測試結果及分析

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

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

5 結論

經過實際標測，本系統目前能夠識別4種高頻調制信號。在現有研究的基礎上，下一步工作將著重于優(yōu)化匹配算法和電路，以期能夠解調識別更多復雜的調制信號，增強捕獲能力。在本項目的基礎上通過改進能應用于無線考試監(jiān)測系統、短波通信系統、無線尋呼系統等多種場合;在本項目的基礎上結合2.5G數據通信，亦可以實現公眾安全監(jiān)控、交通流量監(jiān)控、城市應急處置;或結合GPS和3G技術，實現城市導航、位置信息等新型服務。