基于STM32的调幅信号接收实验系统设计

储开斌， 江 楠， 冯成涛， 朱飞翔

(常州大学 信息科学与工程学院， 江苏 常州 213016)

0 引 言

为帮助电子信息专业学生掌握无线通信技术的原理及应用，设计了一个调幅信号接收实验系统，以便学生掌握相关知识，提高工程应用及实践动手能力[1-2]。调幅是通信系统常用的调制方式之一，它是将低频信号调制到高频载波信号的幅度上，属于频谱搬移过程，传统中短波广播系统常采用该技术[3-4]。解调是从调制信号中将低频信号还原出来的过程，调幅信号的解调称为检波，是调制的逆过程[5]。

针对调幅系统在工程中的应用，本文完成基于STM32单片机的调幅信号接收实验系统的硬件、软件设计，实现了50～300 MHz调幅信号的接收与解调，系统在输入信号有效值从10 μV～1 mV间变化时(文中涉及信号电压均为有效值)，解调输出信号保持在(1±0.1) V。

1 实验系统方案设计

基于STM32单片机的调幅信号接收机主要组成部分包括：高频低噪声放大、本机振荡、混频、中频滤波与放大、解调、基带放大及控制电路等部分组成。系统结构如图1所示。

图1 调幅接收系统框图

系统工作原理：天线接收到空中无线电波，经选频电路选择出频率为50～300 MHz的调幅信号，由于该信号最小仅为10 μV，所以将该信号经低噪声放大器放大后送到混频器中与本振信号进行混频。本振信号由锁相环信号发生器ADF4351产生，由STM32控制其振荡频率，使其比输入信号高10.7 MHz，并送到混频器。混频器将两信号混频后得到两输入信号的和频与差频信号，其中10.7 MHz差频信号被中频滤波选择出来，交由中频放大器进行电压放大。中频放大器可根据输入信号的大小调节电压放大倍数，使解调后输出信号幅度稳定。经中频放大后的信号经解调电路还原出原调制的低频基带信号，经基带放大电路放大后输出。为保证输出信号的稳定，系统将输出信号经精密整流后得到与幅度成比例关系的直流量，经STM32内A/D电路采集，STM32单片机经过对采集的数据进行比较，控制中频放大器放大倍数，实现自动增益的控制[6]。

2 实验系统硬件设计

本系统硬件设计主要包括低噪声信号放大、本振、混频、中频放大、解调、基带放大及单片机系统等。

2.1 低噪声放大电路设计

通过天线接收到调幅信号的有效值仅为10 μV～1 mV，输入信号较小，为防止电路噪声对有用信号的影响，采用射频低噪声集成放大器PSA-545作为前级电压放大。PSA-545带宽为50 MHz～4 GHz，噪声系数仅为0.8 dB，增益可达20 dB，具有良好的高频特性。为提高信噪比，低噪声放大器采用两级PSA-545组成，增益为40 dB。经低噪声放大后，输出信号可达到1～100 mV，电路如图2所示。

图2 低噪声放大电路

2.2 混频电路设计

高频电压放大电路在对不同频率信号进行电压放大时，其电压放大倍数也不一样。为保证输入信号频率在50～300 MHz范围内变化时，输出信号电平波动较小，通常将输入信号变换成固定的中频信号进行处理，本实验中，中频信号频率为10.7 MHz。

混频电路可将输入不同频率的信号变换成固定中频，电路如图3所示。实验系统采用AD834模拟乘法器实现。AD834是宽带、高速的四象限模拟乘法器，最高工作频率为500 MHz，在乘法工作模式下，其满幅度误差仅为0.5%。利用AD834将经过低噪声放大器后的调幅波信号与本振源产生的本振信号相乘，完成混频过程。本振信号源选用数字锁相环芯片ADF4351。ADF4351是新款锁相环，内置压控振荡器，

图3 混频电路

频率输出范围为35～4 400 MHz[7]。该芯片由STM32单片机控制，可实现自动扫频、手动扫频或者预置频率选择等功能，步进最小可达1 kHz。图3中，输入信号由AD834的Y1输入，本振信号由X1输入，混频后的信号经U2(陶瓷滤波器)进行滤波，得到10.7 MHz中频信号输出。

2.3 中频放大电路设计

经混频后得到的中频信号达不到检波电路所需的幅度。同时，由于输入信号幅度变化范围较大，为保证输出信号不产生失真，中频放大电路需具备自动增益控制功能。VCA821是可控制增益放大电路，VCA821 可实现数字自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)，调节范围大于 40 dB[8]，电路如图4所示。STM32单片机内部D/A产生的增益控制信号通过P1接口送到VCA821的2脚，中频输入信号送到VCA821的3脚，经增益调节后，经P6输出。

图4 中频放大电路

2.4 检波电路设计

检波电路用于从调幅波中将低频调制信号解调出来。常见的调幅解调有大信号包络检波、同步检波等。大信号包络检波具有电路结构简单、成本低及工作稳定等特点。本实验采用大信号包络检波电路实现，电路如图5所示。D1为检波二极管，R1、C3组成高频滤波电路，检波后的低频调制信号经C2耦合输出[9-11]。

图5 检波电路

2.5 精密整流电路设计

为实现输出低频信号幅度的稳定，本实验系统将输出低频信号进行精密整流，得到与输出信号幅度成比例的直流信号，并将该直流信号经放大后，送到STM32单片机的A/D输入端。单片机对该直流信号幅度进行检测，判断输出信号幅度，从而调节中频放大电路的增益，使输出低频信号稳定在(1±0.1) V。电路如图6所示。

3 系统软件设计

本系统软件主要用于系统本振信号频率控制、自动增益控制及输出信号幅度指示等。系统采用C程序编程，工作流程如图7所示。

图6 精密整流电路

图7 系统软件流程

系统启动后，先对本振、自动增益控制等进行初始化，并显示当前本振频率及测量得到的输出信号幅度。然后系统检测是否有按键按下，根据按键状态，对本振信号频率进行设置，使本振信号频率高于需接收的输入信号10.7 MHz。同时，系统通过A/D采集经精密整流后得到的输出信号，判断输出信号大小。当信号超过(1±0.1) V时，通过D/A输出直流信号，控制中频放大器VCA821的电压增益，使其电压放大倍数下降，而当输出电压低于(1±0.1) V时，则使中频放大器电压放大倍数增加，从而保证输出信号幅度在设定的范围以内。

4 实验结果

由于系统接收的信号幅度小、频率高，采用通用板搭建电路，有可能会使电路无法正常工作，所以本实验使用Altium Designer绘制原理图，并根据原理图制作PCB。在电路设计中，为减少分布参数的影响，采用尺寸较小的贴片元件[12]。

电路实验中，调节射频信号发生器使其产生载波频率为250 MHz，调制信号频率为5 kHz的调幅波，调整输出信号幅度，使其在50 Ω阻抗下电压幅度为50 mV，该信号再经20 dB衰减器衰减，输出信号约为5 mV。通过按键设置本振信号频率为260.7 MHz，经混频后得到10.7 MHz中频信号，该信号再经检波得到低频调制信号，最后经基带放大输出[13-15]。用示波器观察输入、本振、中频及输出解调信号波形如图8所示。

(a) 输入250 MHz调幅波信号

(b) 260.7 MHz本振信号

(c) 10.7 MHz中频信号

(d) 输出5 kHz解调信号

5 结 语

调幅接收系统是无线通信技术的重要内容之一，由于处理的信号频率高，电路分布参数影响大，仿真实验中能实现功能及技术指标的电路在搭建实际电路时往往不能正常工作。基于STM32的调幅接收机实验电路在课程设计中成功实施，既可使学生将所学的理论知识与实践相结合，更好的理解理论知识，又可让使学生掌握工程实践知识，培养学生的工程实践能力。同时，在实际电路的调试中，培养学生分析问题及解决问题的能力，达到工程教育认证对学生培养的标准要求。