CN111585927B - 一种调频解调系统及信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的调频解调系统，包括：变容二极管调频电路模块，产生频率稳定的振荡信号作为调频信号的中心频率，通过变容二极管实现对输入调制信号的频率调制；同时在电源电压范围内任意设置二极管的直流反偏电压，改变调频信号的中心频率和调频灵敏度；下变频电路模块，降低调频信号中心频率，适应更低采样率示波器的采样；低频数字示波器，对调频信号的时域波形数据进行采样输出；上位机，将数据导入至MATLAB软件平台中进行解调计算。有益效果：可以简单有效、高精度的测量出调频信号的最大频偏、中心频率、调频线性失真度等重要的性能指标参数。

Description

一种调频解调系统及信号处理方法
技术领域
本发明涉及调频解调技术领域，尤其涉及一种可以精准的定量测量调频信号主要性能指标参数的调频解调系统及其信号处理方法。
背景技术
作为高频通信中的主要技术手段，信号调频技术广泛运用于调频广播、电视伴音、微波通信、锁相电路和扫频仪等方面。
实际应用中，对调频电路提出了调频频偏大，调频线性度好，中心频率稳定，寄生调幅小等性能要求。而在实验研究中，对上述性能指标的测量主要通过频谱仪测量调频信号的频谱，根据调频信号频谱的中心位置测量调频信号的中心频率（载波频率）；根据频谱分量幅度的衰减程度（频谱分量的幅度小于未调制时载波幅度的1%或10%的频谱分量可以忽略不计）来估算调频信号的最大频偏；根据调频信号的频谱在中心频率两侧的对称度判断调频的线性失真度。但是通过以上用频谱仪测量调频信号的频谱进行调频信号的主要性能指标参数的测量方法，存在调频信号的中心频率和最大频偏等参数测量误差大，调频线性度的判断不够直观准确等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种能对调频信号的主要性能指标参数、即中心频率、调频带宽、调频线性失真度进行精确定量测量的调频解调系统，包括：
所述调频解调系统，包括：
变容二极管调频电路模块，产生频率稳定的振荡信号作为调频信号的中心频率，通过变容二极管实现对输入调制信号的频率调制；同时在电源电压范围内任意设置二极管的直流反偏电压，改变调频信号的中心频率和调频灵敏度；
下变频电路模块，降低调频信号中心频率，对调频信号波形数据进行有效的数据采集；
低频数字示波器，利用自带ADC采样下变频后的调频信号时域波形，并以.csv文件格式对数据进行存储输出。
上位机，接收.csv文件，导入MATLAB软件平台，对调频信号的时域波形数据进行解调分析；解调算法部分，通过希尔伯特瞬时频率计算的算法画出调频信号瞬时频率的变化曲线，计算出包含调频信号的最大频偏、中心频率的性能指标参数，并判断调频的线性失真度。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述变容二极管调频电路模块包括晶体管构成的共基组态西勒振荡电路，用以产生设定频率的载波信号；通过电阻分压向晶体管基极提供可调的静态直流偏置，以改变载波信号的幅度；在共基组态西勒振荡电路的选频部分并接入一个可变电容，提供设定范围的载波频率选择。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述变容二极管调频电路模块采用二极管直接调频的技术原理进行信号调频，通过动态设置二极管的直流反偏电压，调节调频信号的中心频率和调频灵敏度；采用一级共射极放大电路对调频后信号进行放大后输出，同时用作隔离缓冲，降低示波器探头的输入等效电容对调频振荡级的影响或后级电路的输入阻抗对调频振荡级的影响，提高调频中心频率的稳定度。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述下变频电路模块包括：
二极管平衡混频器，实现调频信号与特定频率本振信号的混频；
无源低通滤波器电路，采用七阶无源LC巴特沃茨低通滤波器，滤除混频后的本振信号和输入调频信号的和频信号、各种本振和输入信号的组合频率分量和高频杂散分量及高频噪声；
放大器电路，对滤波后的下变频信号进行一定倍数的放大，在保证信号不失真的情况下，对放大倍数可作适当调整。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述低频数字示波器为20MHz-30MHz带宽、最高采样率在100M以上的普通数字示波器，通过自带的ADC采样下变频后的调频信号时域波形并.csv各式保存数据，通过USB接口导出至上位机。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述上位机为可运行MATLAB软件平台的PC，通过USB接口接收来自示波器的.cvs格式文件。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述解调算法中包括解调前对所述时域波形数据进行均值滤波，抑制量化噪声，提高采样波形数据信噪比。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述解调算法通过希尔伯特瞬时频率计算的算法画出调频信号瞬时频率的变化曲线，具体为：先将信号进行EMD分解，得到各个不同尺度的分量，对每一个分量进行希尔伯特变换后，将原始信号与对应的希尔伯特变换信号分别表示解析信号的虚部和实部，通过对该解析信号的瞬时相位求导得到瞬时频率，特别地对于离散信号，对瞬时相位的求导需按照差分来近似。
所述调频解调系统的进一步设计在于，所述解调算法中包括对调频信号的主要性能指标参数的计算与调频线性失真度的判断。具体为：使用MATLAB中最大值和最小值函数，对滤波后计算出的瞬时频率变化曲线进行计算测量后，获得调频信号的中心频率和最大频偏的信息，通过设置相同频率的标准参考调制信号波形与实际解调的调制信号波形曲线进行对比，得到调频线性度的信息。
本发明还提供了一种采用所述调频解调系统的调频解调信号处理方法，包括如下步骤：
步骤1）起振准备：测试无调制信号输入时，变容二极管调频电路模块的输出。调节电路中西勒振荡器的静态工作点，实现起振，并调节可变电容来设定无调制信号输入时电路的本振频率；
步骤2）变容二极管直接调频：输入调制信号进入变容二极管调频电路模块，实现对电路本振信号的频率调制，并对调频信号进行放大后输出；
步骤3）下变频：将变容二极管调频电路模块输出的调频信号与信号源输出的本振信号通过混频器进行混频，分别得到两个信号的和频与差频信号，经低通滤波器滤波得到下变频的差频信号，并对下变频的调频信号进行适当倍数的放大；
步骤4）软件解调：用实验室最常见的20MHz-30MHz带宽、最高采样率在100M以上的普通数字示波器采集下变频后的调频信号的时域波形数据，并将数据导入进上位机，在MATLAB软件平台上利用瞬时频率计算的算法对采集的调频信号实时波形数据进行均值滤波和瞬时频率计算，得到调频信号的瞬时频率变化曲线，获得对应的原始调制信号波形；求出瞬时频率的最大值和最小值频率，设定两者频率之差的一半为调频信号的最大频偏，两者频率之和的平均值为调频信号的中心频率；设置相同频率的标准参考调制信号波形与实际解调的调制信号波形曲线进行对比，得到调频线性度的信息。
本发明的有益效果：
本发明采用硬件模块和软件算法相结合的方式，实现了对调制信号的直接调频和高精度解调。通过软件算法解调的调频信号，对其中心频率和最大频偏的测量精度能达到8位及以上的有效数字，同时不需要使用频谱仪，有效的降低了硬件成本和对测量仪器的需求。
传统和最常用的调频信号参数指标测量方法是，使用频谱仪测量调频信号的频谱，根据调频信号频谱的中心位置测量调频信号的中心频率（载波频率）；根据频谱分量幅度的衰减程度（频谱分量的幅度小于未调制时载波幅度的1%或10%的频谱分量可以忽略不计）来估算调频信号的最大频偏；根据调频信号的频谱在中心频率两侧的对称度判断调频的线性失真度。但是通过用频谱仪测量调频信号的频谱，并进行调频信号的主要性能指标参数的测量方法，存在调频信号的中心频率和最大频偏等参数测量误差大，调频线性度的判断不够直观准确等问题。
而本发明的调频解调系统不需要使用频谱仪等高成本的测量仪器，只需要使用实验室最常见的20MHz-30MHz带宽的普通数字示波器，最高采样率在100M以上即可，利用示波器自带的8位低分辨率的高速ADC，采集下变频后的调频信号时域波形数据，并将数据导入进上位机，在MATLAB软件平台上利用瞬时频率计算的算法对采集的调频信号实时波形数据进行均值滤波和瞬时频率计算，得到瞬时频率的变化曲线，即可精准的定量测量出调频信号的最大频偏、中心频率等性能指标参数，并客观和直接有效的判断出调频信号的调频线性失真度等重要的性能指标。
需要特别说明的是，使用实验室最常见的普通数字示波器自带的8位低分辨率的ADC直接采样调频信号的时域波形，获得的波形数据本身有很大的量化噪声，直接将采样数据导入MATLAB软件平台进行解调计算，可能造成MATLAB软件中进行数学运算时的有限字长效应，引起较大的计算误差。因此在软件解调算法中，首先对示波器的ADC直接采样获得的调频信号时域波形数据进行均值滤波，可以有效的提高采样波形数据的信噪比，从而明显提高瞬时频率解调算法的精度。
同时，该系统在解调部分提供了下变频电路，通过降低调频信号载波频率的方式，可以降低对ADC采样速率的要求，使用户能根据自身现有的示波器的最高采样率对调频信号的载波频率进行适当的调整，能够使用较低采样率的8位低分辨率的ADC（可直接使用实验室最常见的20MHz-30MHz带宽的普通数字示波器，最高采样率在100M以上即可）对调频信号的时域波形进行有效的采样。混频器使用的本振信号频率根据用户自身现有示波器的最高采样率而定，若示波器的最高采样率较低，可将调频信号的中心频率（载波频率）降到示波器的最高采样率的1/10-1/20。
当调频信号的载波频率大大下降后，使用最高采样率为50MHz的数字示波器，依然可以实现对调频信号时域波形数据的有效采样，对于频偏较小的调频信号，通过下变频模块降低了调频信号的载波频率之后，再使用本发明中使用的软件解调算法同样可以获得较高精度的瞬时频率测量结果，从而精确的测量出调频信号的中心频率、最大频偏、调频线性度等重要的性能指标参数。
在调频信号的线性失真度测量方面，只需要将解调后的瞬时频率变化曲线与相同频率的标准参考调制信号波形曲线进行重合对比，即可直观有效的判断出调频信号的线性失真度，而无需其他辅助的测量电路，从而大大简化了硬件电路和成本。
本发明可以使调频信号的主要性能指标参数的测量精度尽量少地依赖于硬件电路的性能和测量仪器的精度，从而大大降低了测量的仪器成本和硬件电路成本，同时还能有效提高对调频信号性能指标参数的测量精度。
综上所述本发明的调频解调系统可以简单有效、高精度的测量出调频信号的最大频偏、中心频率、调频线性失真度等重要的性能指标参数。用户还可以通过自行设计和替换本发明的调频解调系统中各个电路功能模块，修改和优化软件解调算法，进一步提高本系统的性能指标测量精度和扩展其它的测量功能，有助于用户根据自身的测量需求，针对某些特定的参数指标测量和精度进行调频解调系统的单独定制和功能扩展升级，能有效增强特定环境和极端测试条件下系统的适应性。
附图说明
图1是调频解调系统的结构框图。
图2是下变频电路的结构框图。
图3是变容二极管直接调频电路的电路原理图。
图4中的 (a)是模拟乘法器AD831混频器模块主电路原理图。
图4中的 (b)是模拟乘法器AD831混频器模块的输出和滤波电路原理图。
图5是七阶无源LC低通滤波器的电路原理图。
图6是放大器电路的原理图。
具体实施方式
结合具体实施例与附图对本发明的技术方案进一步说明。
如图1，本发明的调频解调系统，需要用到变容二极管调频电路模块、下变频电路模块、低频数字示波器以及上位机。
如图3，变容二极管调频电路模块还包括变容二极管与所述共基组态西勒振荡电路的选频网络相结合，共同决定本振频率，通过电阻分压为变容二极管提供静态可调的直流反偏电压，改变直流偏压可以改变调频信号的中心频率和调频灵敏度；低频调制信号从所述变容二极管的阴极输入，变容二极管的结电容大小随调制信号幅值的变化而变化，引起振荡频率的变化，实现调频。采用一级共射极放大电路，对调频后信号进行放大后输出，同时用作隔离缓冲，降低示波器探头的输入等效电容对调频振荡级的影响或后级电路的输入阻抗对调频振荡级的影响，提高调频中心频率的稳定度。
本实施例中，变容二极管调频电路中使用BB910型号的变容二极管，其线性工作点位于4V-8V。选用12V直流电源对该电路进行供电，可以测量变容二极管在不同的直流反偏电压工作点下产生的调频信号的线性失真度。西勒振荡器作为改进型电容三点式振荡器，除了在谐振支路中串入小电容外，还在电感旁并接一小电容C，进一步提高了电容三点式振荡器的频率稳定度，振荡频率变化时的振荡波形幅度稳定性也更好，故本实施例采用西勒振荡器产生调频信号的中心频率（载波频率）。最后一级共射极放大电路，可以对调频信号进行放大后输出，同时用作隔离缓冲，降低示波器探头的输入等效电容对调频振荡级的影响或进一步降低后级电路对前级振荡器中心频率的影响，提高调频信号的中心频率（载波频率）的稳定度，共射极放大电路的输出与下变频电路模块相接。
本实施例需在起振前测试无调制信号输入时，变容二极管调频电路模块的输出。调节电路中西勒振荡器的晶体管静态工作点，实现振荡波形的起振，并调节可变电容来设定无调制信号输入时电路的载波频率；本系统中提供的变容二极管调频电路模块电路图中可将中心频率设定为10.7MHz左右，用户可根据自身的需求改变谐振回路的电感和电容参数调节所需的调频信号中心频率（载波频率）。
如图2，下变频电路模块，可以使待测调频信号的中心频率（载波频率）降低，从而降低对ADC采样速率的要求，使用户能根据自身现有的示波器的最高采样率对调频信号的中心频率（载波频率）进行适当的调整，能够使用较低采样率的8位低分辨率的ADC，或直接使用实验室最常见的20MHz-30MHz带宽、最高采样率在100M以上的普通数字示波器，对调频信号的时域波形进行有效的采样，保证解调算法在硬件平台上的通用性；混频器使用的本振信号频率根据用户自身现有示波器的最高采样率而定，若示波器的最高采样率较低，可将调频信号的中心频率（载波频率）降到示波器的最高采样率的1/10-1/20。
下变频电路模块中，第一级为二极管平衡混频器，变容二极管输出的调频信号可与DDS信号源输出的本振信号通过混频器进行混频，分别得到两个信号的和频与差频信号，经过低通滤波和电压放大后得到下变频信号。
混频器模块可使用二极管平衡混频器，具有组合频率小，动态范围大，噪声小，本振无反向辐射等优点，但变频增益小于1，有一定的插入损耗，后级需加上放大电路进行增益补偿。混频器也可以使用基于模拟乘法芯片的混频器电路，可采用AD831芯片，参见图4中的（a）与图4中的（b），需注意本振信号和输入调频信号幅值对混频器性能的影响，可在混频器前加入自动增益控制电路模块，用以控制输入调频信号的幅值。
无源低通滤波器电路，采用七阶无源LC巴特沃茨低通滤波器，参见图5，可以滤除混频后的本振信号和输入调频信号的和频信号、各种本振和输入信号的组合频率分量和高频杂散分量及高频噪声，同时得到下变频后的本振信号和输入调频信号的差频信号，后级放大电路使用OPA847芯片构成宽带放大器，参见图6，对滤波后的下变频信号进行一定倍数的放大，在保证信号不失真的情况下，对放大倍数可作适当调整。
软件解调部分，可直接使用实验室最常见的20MHz-30MHz带宽的普通数字示波器来采样下变频后的调频信号时域波形数据，并将数据导入进上位机，在MATLAB软件平台上利用瞬时频率计算的算法对采集的调频信号实时波形数据进行均值滤波和瞬时频率计算，得到瞬时频率的变化曲线，获得解调信号的波形。求出瞬时频率的最大值和最小值频率，两者频率之差的一半为调频信号的最大频偏，两者频率之和的平均值为调频信号的中心频率（载波频率）。对调频信号的线性失真度测量，只需要将解调后的瞬时频率变化曲线与相同频率的标准参考调制信号波形曲线进行重合对比，即可直观有效的判断出调频信号的线性失真度。
需要特别说明的是，使用实验室最常见的普通数字示波器自带的8位低分辨率的ADC直接采样调频信号的时域波形，获得的波形数据本身有很大的量化噪声，直接将采样数据导入MATLAB软件平台进行解调计算，可能造成MATLAB软件中进行数学运算时的有限字长效应，引起较大的计算误差。因此在软件解调算法中，首先对示波器的ADC直接采样获得的调频信号时域波形数据进行均值滤波，可以有效的提高采样波形数据的信噪比，从而明显提高瞬时频率解调算法的精度。
本实施例的算法核心在于希尔伯特变换。希尔伯特变换在物理意义上是将原始信号的所有频率分量的相位都推迟90°，将信号投影到复平面上。原始信号和它对应的希尔伯特变换信号分别用
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示，则对应的解析信号可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，得到该解析信号的瞬时相位
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（该式）。由于有可能出现物理上不可解释的负频率信号，所以通过解析信号求得的瞬时频率是没有实际意义的，当带宽比小于0.01时可认为负频率信号不存在。对调频信号的处理一般采用希尔伯特-黄变换（HHT）的方法，HHT变换先将信号进行EMD分解，得到各个不同尺度的分量，在MATLAB中可通过调用emd函数实现。将每一个分量进行上述Hilbert变换后，再对瞬时相位求导可得瞬时频率。特别地，对于离散信号，对瞬时相位的求导需按照差分来近似，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种调频解调系统，其特征在于包括：
变容二极管调频电路模块，产生频率稳定的振荡信号作为调频信号的中心频率，通过变容二极管实现对输入调制信号的频率调制；同时在电源电压范围内任意设置二极管的直流反偏电压，改变调频信号的中心频率和调频灵敏度；
下变频电路模块，用以降低调频信号中心频率，使实验室最常见的采样率在100M以上的普通低频数字示波器能对调频信号波形数据进行有效的数据采集；
低频数字示波器，利用自带ADC采样下变频后的调频信号时域波形，并以.csv文件格式对数据进行存储输出；
上位机，接收.csv文件，导入MATLAB软件平台，对调频信号的时域波形数据进行解调分析；
解调算法部分，通过希尔伯特瞬时频率计算的算法画出调频信号瞬时频率的变化曲线，计算出包含调频信号的最大频偏、中心频率的性能指标参数，并判断调频的线性失真度；
所述变容二极管调频电路模块包括晶体管构成的共基组态西勒振荡电路，用以产生一定频率的载波信号；通过电阻分压向晶体管基极提供可调的静态直流偏置，以改变载波信号的幅度；在共基组态西勒振荡电路的选频部分并接入一个可变电容，提供一定范围的载波频率选择；
所述变容二极管调频电路模块采用二极管直接调频的技术原理进行信号调频，通过动态设置二极管的直流反偏电压，调节调频信号的中心频率和调频灵敏度，提供一级共射极放大电路，对调频后信号进行放大后输出，同时用作隔离缓冲，降低示波器探头的输入等效电容对调频振荡级的影响或后级电路的输入阻抗对调频振荡级的影响，提高调频中心频率的稳定度；
所述下变频电路模块包括：
二极管平衡混频器，实现调频信号与特定频率本振信号的混频；
无源低通滤波器电路，采用七阶无源LC巴特沃茨低通滤波器，滤除混频后的本振信号和输入调频信号的和频信号、各种本振和输入信号的组合频率分量和高频杂散分量及高频噪声；
放大器电路，对滤波后的下变频信号进行一定倍数的放大，在保证信号不失真的情况下，对放大倍数可作适当调整；
所述解调算法通过希尔伯特瞬时频率计算的算法画出调频信号瞬时频率的变化曲线，具体为：先将信号进行EMD分解，得到各个不同尺度的分量，对每一个分量进行希尔伯特变换后，将原始信号与对应的希尔伯特变换信号分别表示解析信号的虚部和实部，通过对该解析信号的瞬时相位求导得到瞬时频率，特别地对于离散信号，对瞬时相位的求导需按照差分来近似；
所述解调算法中包括对调频信号的主要性能指标参数的计算与调频线性失真度的判断，具体为：使用MATLAB中最大值和最小值函数，对滤波后计算出的瞬时频率变化曲线进行计算测量后，获得调频信号的中心频率和最大频偏的信息，通过设置相同频率的标准参考调制信号波形与实际解调的调制信号波形曲线进行对比，得到调频线性度的信息。
2.根据权利要求1所述的调频解调系统，其特征在于：所述低频数字示波器为常见20MHz-30MHz带宽、最高采样率在100M以上的普通数字示波器，可以利用自带ADC采样下变频后的调频信号时域波形并.csv各式保存数据，通过USB接口导出至上位机。
3.根据权利要求1所述的调频解调系统，其特征在于：所述上位机为可运行MATLAB软件平台的常见PC，通过USB接口接收来自示波器的.cvs格式文件，导入MATLAB，运行解调算法进行解调。
4.根据权利要求1所述的调频解调系统，其特征在于：所述解调算法中包括解调前对所述时域波形数据进行均值滤波，抑制量化噪声，提高采样波形数据信噪比。
5.采用如权利要求1-4任一项所述调频解调系统的调频解调信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1)起振准备：测试无调制信号输入时，变容二极管调频电路模块的输出，调节电路中西勒振荡器的静态工作点，实现起振，并调节可变电容来设定无调制信号输入时电路的本振频率；
步骤2)变容二极管直接调频：输入调制信号进入变容二极管调频电路模块，实现对电路本振信号的频率调制，并对调频信号进行放大后输出；
步骤3)下变频：将变容二极管调频电路模块输出的调频信号与信号源输出的本振信号通过混频器进行混频，分别得到两个信号的和频与差频信号，经低通滤波器滤波得到下变频的差频信号，并对下变频的调频信号进行适当倍数的放大；
步骤4)软件解调：用实验室最常见的20MHz-30MHz带宽、最高采样率在100M以上的普通数字示波器采集下变频后的调频信号的时域波形数据，并将数据导入进上位机，在MATLAB软件平台上利用瞬时频率计算的算法对采集的调频信号实时波形数据进行均值滤波和瞬时频率计算，得到调频信号的瞬时频率变化曲线，获得对应的原始调制信号波形，求出瞬时频率的最大值和最小值频率，两者频率之差的一半为调频信号的最大频偏，两者频率之和的平均值为调频信号的中心频率，设置相同频率的标准参考调制信号波形与实际解调的调制信号波形曲线进行对比，得到调频线性度的信息。
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