2024年电子设计大赛C题

 题目：无线传输信号模拟系统（C 题）

摘  要

  本系统以STM32F407ZGT6 单片机为控制核心，实现了能够模拟产生载波频率在30MHz~40MHz之间、载波幅度有效值在100mV~1V之间的无限传输信号的系统。系统采用基于AD9959的频率合成电路产生连续波（CW）信号（载波信号）以及2MHz的调制信号，将调制信号与STM32F407ZGT6板载DAC产生的直流信号用加法器相加，最后用乘法器将混合调制信号与载波信号用乘法器相连，模拟产生调制度在30%~90%内可调节的调幅（AM）信号，完成直达传输信号的模拟。再通过控制时延与初相位差算法控制AD9959相位寄存器调节多径信号的时延与初相位差，使用PE4302数字射频衰减模块控制多径信号的幅度衰减，模拟产生多径传输信号，最终由加法器生成合路信号S_out。上述的信号参数均可通过触摸串口屏调节，各项指标均符合设计要求。

   

 一．系统方案设计与论证

1.方案设计

1）连续波（CW）信号生成方案（频率合成电路）

  采用AD9959生成目标载波频率的连续波（CW）信号，AD9959是一种DDS（直接数字合成）芯片，能够生成极高分辨率的输出频率。该方案的优点是拥有非常快速的频率切换速度，几乎可以瞬时改变输出频率，并且通过SPI数字接口就可以进行控制，编程和操作相对简单，DDS技术还拥有很高的频谱纯度和低相位噪声，同时比起ADF4351，AD9959的功耗相对较低，且能在电路更为简单的情况下完美实现要求，更适合便携的电池供电系统。

2）调幅电路设计

  采用基于加法器与乘法器的调幅电路，利用STM32F407ZGT6的DDS产生的直流信号与频率合成电路产生的调制信号由加法器相加，再将载波信号与加法器的输出信号分别接入到乘法器的两端，模拟产生调幅（AM）信号，通过控制调制信号的有效幅度即可调节调幅（AM）信号的调制度。该方案的优点在于：加法器与乘法器成本低廉、容易获取与操作，并且功耗相对较低，能够在电池供电的系统中良好的工作，实现所需功能。

3）多径信号模拟电路的设计方案

采用PE4302数字射频衰减模块完成多径传输信号的幅度衰减模拟，通过时延、初相控制算法改变AD9959模拟产生的多径传输信号的相位，实现多径传输信号相对直达信号的时延与初相的模拟。

4）人机交互功能设计方案

使用触屏串口屏幕实现信号参数调节等人机交互功能。触摸串口屏幕

具有操作直观、界面友好等优势，并且集成了多种控制和显示功能、可减少外部原件的使用从而简化电路。

2.总体方案描述

  本系统采用频率合成电路与调幅电路模拟产生直达传输信号S_D，结合多径信号模拟电路与延时、相位调制算法生成多径传输信号S_M，将S_D、S_M两信号由加法器混合，模拟产生合路信号S_Out。通过串口屏幕对信号的各项参数进行显示与调节。系统结构框图如图1所示。

图1.系统结构框图

 

二．理论分析与计算

1.直达与多径信号的产生方法

  由于STM32F407ZGT6的板载DAC的分辨率、更新速率、输出动态范围等性能都较低，为满足题目要求我们使用基于AD9959的频率合成电路以及调幅电路来模拟产生CW\AM可设置的直达信号S_D，再经过基于PE4302数字射频衰减模块的多径模拟电路来模拟产生与直达传输信号相比有幅度衰减、时延、初相改变的多径传输信号S_M，最后经过合成电路模拟产生无线传输信号S_out。

2.直达与多径传输信号的参数计算与控制

1）连续波（CW）信号的参数计算与控制

          连续波（CW）信号是一种频率和幅度恒定的正弦波信号，通过DDS（Direct Digital Synthesis）技术可以产生频率、幅度可调节，波形稳定的连续波（CW）信号。DDS技术根据奈奎斯特取样定律，从连续信号的相位出发，将正弦信号取样，编码，量化，形成一个正弦函数表，存在EPROM中，合成时，通过改变相位累加器的频率字来改变相位增量。相位增量的不同导致一个周期内取样点的不同，在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位的改变来改变频率，从而产生需要的信号。 DDS结构如图2所示。

图2.DDS的结构图

据题，模拟产生的无线信号载波频率f_c介于30MHz~40MHz之间，载波幅度有效值介于100mV~1V之间。我们在向AD9959模块的函数输入目标的频率与幅值，便可以计算出目标频率的频率控制字(FCW)，然后通过SPI协议接口发送配置命令便可按要求产生所需的信号。频率控制字(FCW)为：

其中： 是目标输出频率即连续波（CW）信号的频率，同时也是载波信号

的频率、是系统时钟频率（采样频率）、N是相位累加器的位数。

2）调幅（AM）信号的参数计算与控制

调幅（Amplitude Modulation，简称AM）是一种通过改变载波信号的幅度来传递信息的调制技术。在AM信号中，载波信号的幅度按照调制信号（通常是低频信号）的变化进行调整，从而将调制信号的信息嵌入到载波信号中。

  载波信号的表达式为：

 

A_C为载波信号的幅度，f_C为载波信号的频率。

  调制信号的表达式为：

  调幅（AM）信号的调制度m为调制信号幅度与载波信号幅度之比：

  混频后得到的调幅信号（AM）的数学表达式为：

  我们通过控制由频率合成电路产生的调制信号与载波信号的幅度的比值来实现调幅（AM）信号调制度的控制。

3) 多径传输信号S_M的参数计算与控制

  多径传输信号是指无线电波在传播过程中，由于遇到障碍物如建筑物、地面和其他反射体，产生反射、散射和折射等现象，使得信号通过多个不同的路径到达接收点的现象。多径传输信号相对于直达传输信号具有时延、初相变化、幅度衰减等特性。

  多径传输信号相对直达传输信号的初相位差为：

其中为多传输信号的初相位，为直达传输信号的初相位

多径传输信号相对直达传输信号的时延的表达式为：

其中为多径传输信号与直达传输信号的相位差；为载波频率。

多径传输信号相对直达传输信号的幅度衰减度L数学表达为：

  其中A₀是直达信号的幅度,An为多径信号的幅度。

  我们使用时延、初相位差函数控制AD9959相位寄存器的方法来改变其产生信号的初相位的方法实现多径传输信号S_M相对于直达传输信号S_D的时延、初相位

差的模拟，使用PE4302数字射频衰减模块来实现S_M相对于S_D的幅度衰减。

4）实现各个参数步进可调的方法

 为了实现频率合成电路信号参数的步进可调，我们设计了一个参数控制函数，并通过按键输入实现精确控制。该函数内部定义了一个变量用于表示当前参数值，当用户按下触摸串口屏幕上的特定按键时，参数值按照预设的步长递增或递减，并实时更新频率合成电路的输出参数。通过这种方法，我们能够精确地以步进的方式控制信号的频率、幅度和调制度。

三．电路与程序设计

1. 电路设计

1）基于AD9959的频率合成电路

 根据上述的方案设计和原理分析，通过参数计算和实际调试，搭建出由AD9959DDS模块与OPA657运算放大器组成的频率合成电路（如图3所示）。

由AD9959发出指定频率与幅度的载波信号、调制信号，再经由OPA657将信号放大至所需的幅度。

图3.频率合成电路

2）调幅电路设计

     率合成电路所产生的是连续波（CW）信号，要模拟产生调幅（AM）信号，还需要经过调幅电路对连续波（CW）与指定频率的调制信号进行混频。由STM32F407ZGT6的板载DAC生成幅度与载波信号峰值相等直流信号，将该直流信号与频率合成电路生成的调制信号用加法器相加，再将合成后的信号与频率合成电路生成的载波信号由乘法器混频，输出调幅（AW）信号，完成调幅。电路如图4所示。

 

 

图4.调幅电路

3）多径信号模拟电路

为模拟产生多径传输信号，我们使用了PE4302数字射频衰减模块实现对直达传输信号幅值的衰减，而模拟时延与初相变化则在程序中实现。

2. 程序设计

  根据题目要求，程序主要包含了频率合成电路控制部分、调幅电路控制部分、多径模拟电路控制部分以及参数显示与调节等人机交互功能，满足题目各项功能要求。系统程序流程图如图5所示

图5.系统程序流程图

 

 

 

 设计思路为：系统开启电源后，首先对各个电路中的模块进行初始化，然后控制AD9959DDS按照设定好的初始值模拟产生连续波（CW）信号以及2MHz的调制信号同时控制STM32F407ZGT6的板载DAC输出直流信号。通过多径模拟电路控制AD9959模块模拟产生的多径信号的初相位差与时延，PE4302数字射频衰减模块对多径信号的衰减程度，完成直达信号与多径信号的输出；同时将信号的各项参数显示到串口屏幕上，并通过触摸串口屏幕调节参数。

四．测试方案与测试结果

1.   测试仪器

（1）RIGOL-DP832 可编程线性直流电源

（2）RIGOL-MSO5354 双通道 350MHz 数字示波器

（3）RIGOL-DG4062 双通道 60MHz 函数发生器

2.   系统性能指标测试与分析 

将频率合成电路的输出端口与示波器连接，在串口屏幕上对信号的各个参数进行调节，将示波器显示的信号幅度的有效值与标称值进行对比，计算得到信号各个参数测量值与标称值的绝对误差∆。部分测量结果在表1-2中。

表1 载波幅度有效值测试

表2 多径传输信号的幅度衰减

 

3.   测量结果分析

     根据测试数据分析，本系统实现了该任务的所有指标，并且载波频率、多径传输信号的幅度衰减、时延、初相位差等参数的调节指标均优于任务要求，载波频率调节范围拓展至2-120MHz,SM信号幅度衰减拓展至0-30dB步进1dB，时延拓展至任意时间10ns步进可调。

五．总结

  本系统通过理论分析得到合理的方案，以STM32F4O7ZGT6为控制核心，结合基于AD9959的频率合成电路、调幅电路与多径模拟电路，设计并实现了无线传输信号模拟系统，实现了模拟产生直达传输信号和多径传输信号，并合路得到模拟的无线传输信号，且信号的各项参数均满住设计要求。

 

 

附件：

1、工程代码文件

2、陶晶驰串口屏上位机文件

3、演示视频过大，上传至百度网盘

通过百度网盘分享的文件：无线传输信号模拟系统.zip

链接：https://pan.baidu.com/s/1RxzWeXFWq8mwMTFPsU4QAw?pwd=sztu 

 

提取码：sztu