2022年电赛F题信号调制度测量装置

红叶何时落水

题目要求：

一、任务

设计制作信号调制度测量装置，该装置测量并显示信号源输出的被测信号调制度等参数，识别并显示被测信号的调制方式，输出解调信号。测量系统如图1所示。

二、要求

（1）被测信号为电压峰峰值100mV的普通单音调幅（AM）电压，其载频为10MHz、调制信号为频率1~3kHz的正弦信号。测量并显示的调幅度，要求测量误差绝对值≤0.1；输出解调信号，要求解调信号波形无明显失真。（20分）

（2）被测信号为电压峰峰值100mV的单音调频（FM）电压，其载频为10MHz、调制信号为频率3~5kHz的正弦信号。测量并显示的调频度，测量误差绝对值≤0.3；测量并显示的最大频偏(kHz)；输出解调信号，要求解调信号波形无明显失真。（25分）

（3）被测信号为载波电压峰峰值100mV的高频电压，其载频范围为10MHz~30MHz（频率步进间隔0.5MHz）。若为已调波（AM或FM波）时，其调制信号为频率范围5kHz~10kHz（频率步进间隔1kHz）内某一频率的正弦信号。测量装置应能自主识别的调制方式，即能判断出为调幅、调频或未调载波。测量并显示的调制度（或），测量误差要求分别同前面第（1）、（2）项的要求；当被测信号为调频波时，要求测量并显示其最大频偏(kHz)；输出解调信号，要求解调信号波形无明显失真。（45分）

任务分析

最主要的任务是AM信号与FM信号要实现解调，并且测量出相关参数；

简单来说有两套方案

第一套硬件解调，并将所需测量的参数转化为电压量。由单片机测量参数，进行计算和显示；

AM解调

首先，将信号放大，上拉到2V左右。然后用包络检波电路将其解调出来，再加一个底通滤波器即可。

具体电路见：效果图

原理图与连线图

FM解调我没做，好像是用鉴相器制作。

难点：载波频率为10MHZ,普通的芯片频带无法实现。

比如说AM的解调，如果我们打算用820单运放将其放大并上拉，我们就会发现当载波为10Mhz时，输出的信号实现了放大功能。但一旦将载波信号变为20MHZ，增益便会发生变化（频带不够宽）。当然，增益发生变化对于信号的解调影响不大，还是可以解出来的。但是，AM的调幅度是用解调出来的正弦波的峰峰值/直流偏置得来的。因为增益发生变化，会导致参数发生变化。所以后面单片机的测量便有很大的麻烦。（一会在软件部分说明）

解决方案，使用无源电路将其衰减（防止调制波在放大模块那里出现失真），进入专用放大模块，之后，不进行上拉，直接让二极管将上半个调试波形解调出来。这样就避免了820的带宽问题。但是，这个方案需要一直去调阻抗，一不小心，信号直接衰没了。

第二套软件解调并测量

AM 对于周期信号来说，我们可以通过快速FFT运算，从频谱图中分析他的各种谐波。

难点

1.根据奈奎斯特采样定理，我们知道想要分析出频谱不混叠的频谱图，采样率必须大于最大谐波的二倍。那么就意味着AD采样率要大于60Mhz。普通的32单片机明显达不到这个采样率。就拿F103芯片来说，板载AD采样率在正常工作范围内为1Mhz。如果使AD超频工作的化，也只能达到2.5Mhz,与此同时，把主时钟超频到112M，采样率勉强达到4.5M。但此时采集到的波精度已经有了不小的损失。如果外接AD的话，也不太行，经过测试最大采样率为25M。如果用FPGA的话，采样率倒是可以达到60M。

所以，想实现软件解调，就要用带通采样（传送门）

这里我采用的是204khz的采样率，刚好可以包含题目中所有的频率。

AM频谱图有三个谐波，最长的那根的频率便是载波频率。而两根短谐波之间的频率差便是调制波信号的频率。

对于FM 同样采样率，会出现多个周期的谐波

我们可以通过分析该频谱来得出所有信息。

信息采集完毕后，用板载DA输出一个相应频率的正弦波即可。（如果觉得DA输出的波形不够好看，加个滤波电路滤一下即可）。

明天开始测评。

代码部分：

采样率204khzAD配置

TIM1_PWM定时器配置

void tim1_pwm_config(uint16_t psc,uint16_t arr,uint8_t val)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = arr -1;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = psc -1;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitStruct);TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = arr / 2;TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStruct);TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);TIM_SelectOutputTrigger(TIM1,TIM_TRGOSource_OC1);TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);
}

DMA1配置

void Adc_dma(void)
{//ADC1      DMA1_CHANNEL1DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = size;DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;DMA_InitStruct.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)ADC_arr;DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)(&(ADC1->DR));DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_High;DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStruct);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);}

ADC1配置

void adc_init(void)
{int i=0;ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;for(i=0; i<size; i++){ADC_arr[i]=0;}adc_gpio_init();Adc_dma();adc_nvic_init();RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;// ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStruct);//    ADC_ITConfig(ADC1,ADC_IT_EOC,ENABLE);RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_1,1,ADC_SampleTime_1Cycles5);ADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);ADC_ResetCalibration(ADC1);while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);ADC_StartCalibration(ADC1);while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);}

FFT计算函数

typedef double real;typedef struct{real Re; real Im;
} complex;
double arr_res[_N] = {0};
void fft( complex *v, int n, complex *tmp )
{if(n>1) {   /* N???1,????*/int k,m;    complex z, w, *vo, *ve;ve = tmp; vo = tmp+n/2;for(k=0; k<n/2; k++) {ve[k] = v[2*k];vo[k] = v[2*k+1];}fft( ve, n/2, v );  /* FFT ???? v[] */fft( vo, n/2, v );  /* FFT ???? v[] */for(m=0; m<n/2; m++) {w.Re = cos(2*PI*m/(double)n);w.Im = -sin(2*PI*m/(double)n);z.Re = w.Re*vo[m].Re - w.Im*vo[m].Im; /* Re(w*vo[m]) */z.Im = w.Re*vo[m].Im + w.Im*vo[m].Re; /* Im(w*vo[m]) */v[  m  ].Re = ve[m].Re + z.Re;v[  m  ].Im = ve[m].Im + z.Im;v[m+n/2].Re = ve[m].Re - z.Re;v[m+n/2].Im = ve[m].Im - z.Im;}}return;
}void ifft( complex *v, int n, complex *tmp )
{if(n>1) {   int k,m;    complex z, w, *vo, *ve;ve = tmp; vo = tmp+n/2;for(k=0; k<n/2; k++) {ve[k] = v[2*k];vo[k] = v[2*k+1];}ifft( ve, n/2, v );  /* FFT ???? v[] */ifft( vo, n/2, v );  /* FFT ???? v[] */for(m=0; m<n/2; m++) {w.Re = cos(2*PI*m/(double)n);w.Im = sin(2*PI*m/(double)n);z.Re = w.Re*vo[m].Re - w.Im*vo[m].Im; /* Re(w*vo[m]) */z.Im = w.Re*vo[m].Im + w.Im*vo[m].Re; /* Im(w*vo[m]) */v[  m  ].Re = ve[m].Re + z.Re;v[  m  ].Im = ve[m].Im + z.Im;v[m+n/2].Re = ve[m].Re - z.Re;v[m+n/2].Im = ve[m].Im - z.Im;}}return;
}void fft_dispose(float arr[]) {complex v[_N], scratch[_N];double amp[_N];int k, i;printf("in");for(k=0; k<_N; k++) {v[k].Re = arr[k];v[k].Im = 0;}fft(v, _N, scratch );printf("\n\r\n\r\n\r");for(i = 1; i < _N/2; i++){     arr_res[i] = sqrt(v[i].Re*v[i].Re+v[i].Im*v[i].Im);printf("%f,",arr_res[i]);}printf("\n\r\n\r\n\r");
}

DA配置

void Dac2_Init()
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;DAC_InitTypeDef DAC_InitType;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);DAC_DeInit(); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);DAC_StructInit(&DAC_InitType); DAC_InitType.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T4_TRGO; DAC_InitType.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0; DAC_InitType.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable; DAC_Init(DAC_Channel_2, &DAC_InitType); DAC_Cmd(DAC_Channel_2, ENABLE); DAC_DMACmd(DAC_Channel_2, ENABLE);
}

DMA2配置


void MYDMA_Config(u32 cpar, u32 cmar, u16 cndtr) // cpar?????,cmar?????,cndtr????????(???????)
{DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA2, ENABLE); DMA_DeInit(DMA2_Channel4);DMA_StructInit(&DMA_InitStructure);DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = cndtr; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = cpar; DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = cmar;DMA_Init(DMA2_Channel4, &DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA2_Channel4, ENABLE);
}

TIM4配置


void TIM4_Config(u16 arr,u16 psc)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr - 1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);TIM_SelectOutputTrigger(TIM4,TIM_TRGOSource_Update); TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

main

 int main(void){ u16 i;u16 n = NPT;int *p;int *f;double m;double v_x = 0,i_x;int h = 0;Init();while(1){delay_s(1);for(i = 0; i < Votage_BUFFER_Size; i++){XR[i]=ADC_arr[i];                 }qsort(ADC_arr, Votage_BUFFER_Size, sizeof(ADC_arr[0]), compDec);LCD_ShowxNum(132,300, (u32)(ADC_arr[1900] - ADC_arr[120]) * 1000 / ADC_arr[120],5,16,0X80);printf("\n\r\n\r");fft();for(i = 0; i < Votage_BUFFER_Size ; i++){XI[i] = XR[i];}GET_code(XI, XR);draw(XR, 512, 10);DMA_DeInit(DMA1_Channel1);adc_init(); IWDG_Feed();}
}   void Init(void) {int i = 0;NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);delay_init();             //ÑÓÊ±º¯Êý³õÊ¼»¯     uart_init(115200);        //´®¿Ú³õÊ¼»¯Îª9600LED_Init();               //³õÊ¼»¯ÓëLEDÁ¬½ÓµÄÓ²¼þ½Ó¿ÚLCD_Init();adc_init(); IWDG_Init(4,3125); i = 1000000 / Fs;tim1_pwm_config(72, (u16) i,1);  for(i = 0; i < 72; i++) {SIN[i] = SIN[i] * 5 ;}Dac2_Init();MYDMA_Config( (u32) & (DAC->DHR12R2), (u32)SIN, 72);//TIM4_Config(100000 / tim4, 0);
}

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