FM通信系统.doc

高频信号参数测试仪

参赛队员：陈丽凤 刘 科 刘水源
指导老师：王建波 刘 俊 杨笔锋 文 斌

摘要： 本系统以STM32单片机为核心，利用单片机的ADC采集正弦信号并对调幅系数和调频系数进行计算。本系统对无调制载波、普通的AM、FM中任意一种经过两路信号：一路经过两级放大以达到失真经过MB1504进行预分频，再根据估测的频率给DDS一个扫频范围。另一路则经过AD835分别混频到中频载波10.7MHz和音频载波455K,这两路载波信号分别通过基于CXA1691收音机芯片的调频调幅，得到解调的调制波。最后由单片机经过查询的方式得出输入信号的调频系数或者调幅系数。
关键词：DDS；ADC；MB1504；CXA1691

一、 方案论证与对比
1. 预分频方案选择
方案1：采用专用数字芯片74LS161。优点是硬件电路简单，无需对输出信号进行二次处理。缺点是工作频率达不到题目要求。 
方案2：采用锁相环芯片MB1504，运用此芯片的反馈频率进入芯片内部通过软件的方式进行预分频。但是由于MB1504对反馈频率的信号幅度有要求，故在前级加两级放大器。
2. 混频方案选择
方案一：采用模拟乘法器如MC1496，MC1596等混频，但是这两款芯片都相对比较古老，所以性能也不是很优越。
方案二：采用AD835进行混频。AD835是一款性能非常好的混频器，它是四象限电压输出型混频器，且最大混频输出250MHZ,且使用方便，采用8脚SOIC封装，更利于集成化。
基于AD835如此优越的性能，最终我们选择AD835做我们的混频器。
3. 检波方案选择
方案一：采用二极管峰值检波。采用二级管峰值检波，电路简单。但是，二极管检波，会因为RC的取值不合适，存在很多缺点。若RC的取值使得时间常数过大，就会产生惰性失真；二极管检波还会出现负峰切割失真，频率失真等。因为扫频仪对检波要求很高，所以二极管检波是不适合的。
方案二：采用检波芯片AD8361检波。AD8361是一款很出色的检波芯片，它响应速度快，灵敏度高，且带宽可以高达2,5G，应用起来也很简单方便，并且体积小，功耗低。所以，我们选用AD8361来进行检波。
4. 扫频信号发生器选择
方案一： 采用PLL做扫频信号发生器，输出波形稳定，但是由于PLL内部存在反馈环节，所以转换时间长，且输出频率不易控制，且输出频率相不能做到很高，且稳定性也不是很好。对于宽频带的信号输出，用PLL实现起来就显得较难。
方案二：采用DDS做扫频信号发生器。DDS相对于PLL来说输出频率相对带宽较宽，理论上可达到输入频率，但是考虑到低通滤波器的特性，最少也可达到40%fs。频率转换时间短，频率分辨率极高，相位变化连续，输出波形的灵活，由于ＤＤＳ中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。所以，我们选择用DDS作扫频信号发生器。
系统整体框图如图1所示，利用单片机的ADC采集正弦信号并对调幅系数和调频系数进行计算。本系统对无调制载波、普通的AM、FM中任意一种经过两路信号：一路经过两级放大以达到失真经过MB1504进行预分频，再根据估测的频率给DDS一个扫频范围。另一路则经过AD835分别混频到中频载波10.7MHz和音频载波455K,这两路载波信号分别通过基于CXA1691收音机芯片的调频调幅，得到解调的调制波。最后由单片机经过查询的方式得出输入信号的调频系数或者调幅系数。
DDS信号输入
高放
预分频
混频器
DDS本振
中频滤波
检波
鉴频
STM32单片机
显示
电源

图1

二、 理论分析与参数计算、电路设计
1. 预分频电路分析
被测信号输入MB1504的反馈输入端（如图2），预分频信号由14脚Fp输出。讲输出的信号反馈回DDS，经过估算可以确定DDS输出的本振频率范围。

图2
2. 混频器电路分析
被测信号经过SMA接头进入AD835输入端，本振信号则由DDS产生。经过一级混频得到10.7MHz的中频信号。输出的信号经过两路，一路直接由SMA头输出，另一路信号则再经过AD835混频得到455KHz低频载波信号，最后由SMA头输出。电路原理图如图3所示：

图4
3. 检波鉴频电路分析
此部分有两路输入，一路是10.7MHz载波信号，经过收音机芯片CXA1691直接进行鉴频，另一路是455KHz载波信号同样经过收音机芯片CXA1691进行检波。其原理如图5所示：

图5
4. 软件分析
本系统软件包括正弦波输出、相位差测量、相频特性曲线显示、按键输入检测、点频输出等程序模块。
系统程序流程图如下：

三、 测试与数据分析
1. 测试仪器
1.TDS2012B型模拟示波器 
2.F40型函数信号发生器/计数器
2. 测试方法与测试结果
2.1 调频系数参数存储
根据调频系数的原理可以得到，在不同频偏下，调制信号的幅度不同。基于这一原理，我们将得到的解调信号用单片机AD采集在不同频偏下得到的不同的峰值，存储在单片机内。在输入任意FM信号以后便可以通过查表的方式得知该FM信号频偏。结构如图6所示：

解调波
单片机
存储

图6
测试结果如下：
理论频率（Hz）
100
500
1000
2000
5000
10000
实际频率（Hz）
100
500
1001
2003
5009
10020

测试结论：在频率10K的时候误差为20Hz，超过扩展指标要求的频率误差低于|10Hz|。但是在100Hz到5KHz的时候最大误差为9Hz，达到了指标要求。
2.2 调幅系数参数存储

图7
如图7，连接好测试电路后，测出不同频率下两信号的相位差，同时读出单片机显示的结果并记录下来。测试结果如下图：
信号频率（Hz）
100
500
1000
2000
5000
10000
实际相位差
+130°
+80°
+30°
+7°
-132°
-178°
检测相位差
+127°
+70°
+31°
+10°
-130°
-170°

测试结论：相位差误差小于10°，达到题目要求

四、 结论
本作品达到了题目的部分功能和指标。在满足基本指标的前提下，使频率步进达到了指标要求的100Hz；具备自动扫描功能，并且利用XY方式在液晶上画出相频特性曲线。本作品通过异或门实现鉴相，得到了相位差在一个周期中的占空比，然后通过计算求得相位差。但是求得的相位差的误差较大。