摘 要：文章设计并制作一款基于STM32的便携式多功能信号调制度测量系统，使用ST4M32F103作为主控芯片，通过前级信号调理电路的处理，实现对调制方式进行自动判别；针对已调信号，设计专门的硬件解调模块进行信号解调，并将解调波形直观地呈现出来；为了方便单片机对调幅度的测量，设计有效值检波电路和ADC电压采集模块，将模拟信号进行转换，实现对调幅度的测量；采用FPGA等精度测量法测量信号调频度，并通过FPGA与单片机的通信实现数据的传输与显示，然后利用无线模块和云平台实现数据的远程显示和控制。
关键词：调制度；解调；STM32；等精度测量；云平台
中图分类号：TP311；TN941.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）16-0020-05
Design of a Portable Multifunctional Signal Modulation Measurement System Based on STM32
Abstract： This paper designs and produces a portable multifunctional signal modulation measurement system based on STM32， uses STM32F103 as the main control chip， and achieves automatic discrimination of modulation modes by processing the previous signal conditioning circuit. A dedicated hardware demodulation module has been designed to conduct the signal modulation for the modulated signal， and the demodulation waveform is presented intuitively. In order to facilitate the measurement of amplitude modulation by single-chip microcomputer， an effective value detection circuit and an ADC voltage acquisition module are designed to convert analog signals and achieve measurement of amplitude modulation. It uses FPGA and other precision measurement methods to measure signal frequency modulation， achieves data transmission and display through communication between FPGA and single-chip microcomputer， and utilizes wireless modules and cloud platforms to achieve remote display and control of data.
Keywords： modulation; demodulation; STM32; equal-precision measurement; cloud platform
0 引 言
20世纪初，人类就已经发现并开始运用调制与解调技术，目前，调制技术更加成熟，像生活中的电台广播、导航设备，军事中的无线电台，甚至卫星遥感等都用到了调制与解调技术[1]。但调制与解调技术给我们带来便利的同时，还要考虑到信号的完整性以及在军事通信中的安全性[2]，因此，人们对于能够直接测量无线通信中信号调制度的设备的需求越来越强烈。
本文设计了一种基于STM32的便携式多功能信号调制度测量系统，系统不仅采用了轻便的锂电池供电模式，不拘泥于室内狭小空间，还利用远程传输技术使得外部人员可以在极端环境下远程查看调制度等参数，且本文详细地描述了硬件方面实现过程、软件方面实现过程以及最后的联调过程。
1 系统方案设计
本设计完成了便携式多功能信号调制度测量系统的设计与制作，该系统能够自动判断信号调制方式，能够输出解调信号且无明显失真，能够测量调制度、最大频偏、有效值等参数，能够将调制方式和检测的参数通过无线模块发送到用户端进行显示，且采用锂电池供电，方便携带。
如图1所示，系统结构由放大电路、隔离电路、AM解调电路、FM解调电路、测频电路和无线传输电路等模块组成。首先通过将输入载频10～30 MHz、调制信号频率1～5 kHz的已调信号经由VCA810模块实现对电压和电流的放大，然后通过隔离模块切断对前级的干扰作用，减小失真度。再通过NE564模块和LTC5507模块对前级放大的FM、AM信号进行解调，输出给示波器进行波形显示。之后解调模块输出的正弦波经过调理电路处理，输出的高低电平的数字信号，单片机通过高低电平判断状态，从而确定调制方式。然后LTC5507模块输出的AM解调信号分为两路，一路直接给有效值检波模块，一路经过电解电容再给有效值检波模块，单片机通过A/D模块接收两路信号进行计算，从而计算调幅度。之后隔离模块出来的FM信号经过混频模块变为低频，然后通过低通滤波器滤除高频噪声，经过信号调理模块变为数字信号传输给FPGA，FPGA通过等精度测量法计算最大频偏和调制信号频率，再传输给单片机进行计算，从而计算调频度。最后通过ESP8266模块将数据发送到云平台进行显示，并对数据进行实时控制。
2 单元电路分析与设计
2.1 信号放大电路与隔离模块
本设计通过采用两块TPS5430芯片实现单电源输入和双电源输出的功能，转换效率高达90%。本设计也同步采用便携式电池供电，提高了整个设备的便携性。信号前端采用VCA810模块进行输入小信号的放大，该模块增益控制带宽可达25 MHz[3]，输入电压噪声低，且采用多级放大电路级联，既保证了放大电压倍数的可调范围广，又增加了输出电流驱动负载能力，且输出最大电流为60 mA，对于高频小信号有着较好的放大作用。放大后信号采用OPA690芯片设计实现高频信号的跟随与隔离，本设计电路有足够的输出电流和带载能力，并且可以切断功率放大器的反电动势对前级的干扰作用，减小失真度。电路设计如图2所示。
2.2 调制方式自动判别电路
解调电路内部包括AM解调器和FM解调器，当输入信号为AM波时，通过AM解调器输出正弦信号，通过FM解调器输出比较小的直流信号，经过调理电路输出一高一低电平10，单片机判断为振幅调制；当输入信号为FM波时，通过FM解调器输出正弦信号，通过AM解调器输出比较小的直流信号，经过调理电路输出一低一高电平01，单片机判断为频率调制；反之，其他情况则为未调信号，如图3所示。
2.3 AM调幅度测量模块
本设计采用LTC5507进行AM解调，LTC5507是一款应用于100 kHz至1 000 MHz工作频率范围的RF功率检波器[4]。内部是一个具有温度补偿的肖特基二极管峰值检波器和缓冲放大器级联，利用肖特基二极管对AM信号进行包络检波，利用缓冲放大器进行阻抗匹配，可以很好地承接前级解调信号和对后级进行缓冲和扩流，AM解调模块工作原理如图4所示，即利用非线性器件二极管的单向导通性，对输入的AM信号进行峰值检波，再经过低通滤波器滤除高频干扰信号，将调制信号从包络中解调出来。
2.4 FM调频度测量模块
本设计采用NE564进行FM解调，NE564是一款工作效率高达50 MHz的锁相环电路，可用作高速解调器[5]。NE564主要由限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器等电路组成[6]，是在鉴频器中额外增加了限幅器，改善了调幅抑制[7]。采用两级低噪声宽带运算放大器构成低通滤波器来滤除高频频率之和，留下频率之差，即为频偏信号。同时，通过将已调信号乘上与其载波相同频率的正弦和余弦分量，然后设计四阶巴特沃斯低通滤波器来实现滤波。滤除二倍载波频率分量，保留基带信号的正余弦形式[8]，电路设计如图5所示。
2.5 无线通信模块
本设计采用ESP8266 Wi-Fi模块上传数据至云平台。Wi-Fi模块支持速率可达54 Mbit/s，是一款工作在2.4 GHz频段的模块，Wi-Fi模块主要通过创建访问点来进行通信传输[9]，只要用户所持有设备支持Wi-Fi连接，在有热点覆盖的区域便可随时接入互联网，这使得其通信范围十分广阔，在电脑端、手机端等都可广泛应用。该模块的核心芯片集成了强大的处理和储存能力，包括天线开关、电源管理转换器等，因此仅需要极少的外部电路，具有结构简单和使用方便的特点。
3 软件方案设计
3.1 软件系统整体框图
本设计采用STM32F103作为主控制器，主要负责获取前端电路信号和FPGA测量的数据，首先接收前级信号调理电路处理过的数字信号进行调制方式的判断，其次在AM模式下获取前级电路有效值电压，单片机进行计算获取调幅度，在FM模式下与FPGA通信获取信号调频度数据，最后将数据进行整合并显示在屏幕上，通过Wi-Fi模块将所有的数据传输给云平台。总体流程图如图6所示。
3.2 调制方式自动判别模块
本系统进行调制方式自动判别，是在完成对解调信号的调理后，通过单片机对电压进行采集，若采集到的电压为一高一低电平10，则单片机判断为AM模式；若采集到的电压为一低一高电平01，则单片机判断为FM模式；反之，则为未调制模式。
3.3 AM调幅度测量模块
3.4 FM调频度测量模块
FM调频度测量程序流程为：FPGA采集输入已调信号后，利用等精度测量法测算出频率最大值和最小值，两者相减再除以2即为最大频偏，同时测算频率最大和最小之间的时间间隔，倒数即为调制频率，利用调频度和最大偏频之间的关系，即可求出调频度。STM32读取FPGA测频数据，在液晶屏上进行显示。
4 实验结果与分析
4.1 AM调幅度测量模块结果分析
设置高频信号发生器相关参数，信号源设置为内部，调制频率为1 kHz，调制波形为正弦波，调制深度为60%，制作的实物和实验结果波形照片如图7所示，测量AM调制度相关数据如表1所示。以调制信号有效值为0.110 V，载波信号有效值为0.371 V，调幅度为0.523为例，误差最大仅为0.002 3，经过多次测量并与实际信号发生器参数进行对比，该系统AM调幅度测量精度满足要求。
4.2 FM调频度测量模块结果分析
将信号源设置为内部，调制频率为1 kHz，调制波形为正弦波，频率偏差为3 kHz，测量FM调制度相关数据如表2所示。以调制信号频率为1.000 kHz，最大频偏为2.986 kHz，调频度为2.986，误差为0.014，其设计满足要求。
经多次测量数据对比分析，本装置在AM、FM调制度相关参数的测量上，误差控制的较小和市场上通用的测量仪器精度维持在同一水平。但是本设计的这种多功能信号调制度测量系统能够自动判断信号调制方式，能够输出解调信号且无明显失真，能够测量调制度、最大频偏、有效值等参数，能够将调制方式和检测的参数通过无线模块发送到用户端进行显示，且采用锂电池供电，方便携带，不仅有效地解决了供能不及时或是不方便等情况，而且可以在户外各种极端条件下捕获有效信息且保持其稳定性并进行远程控制。其测量功能的多样性和便携性，大大高于目前市场上的常用产品[10]。
4.3 远程无线通信与显示
通过云平台以AM解调数据的远程通信为例，当处于AM调制时，云平台数据如图8所示，显示调制方式为AM调试，调制信号有效值为0.11 V，载波信号有效值为0.37 V，调幅度为0.59，远程数据传输成功。
5 结 论
随着无线数据传输科学技术的高速发展，远程多功能信号调制度测量系统的应用将会越来越广泛，此类远程多功能智能分析仪的发展也将会很好地辅助解决更多解调与调制的数据测量分析的问题，并且在日常生活、军事等场景中发挥重要作用。相信在更美好的未来，远程多功能信号调制度测量系统能够越来越广泛地被使用，也定能投入市场，并且会随着更多参数测量要求的提出而进一步地改进和完善。
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