电子产品世界

作者 韩晓冰 邢磊 西安科技大学信息与通信工程学院(陕西 西安 710054)

　　韩晓冰(1965-)，男，陕西西安人，教授，研究方向，无线通信。

　　邢磊，男，河北承德人，硕士研究生，研究方向，嵌入式、无线通信。

摘要：基于STM32F407ZGT6设计了一款多种调制方式、宽频带的信号源，覆盖频率范围为50 MHz-4 GHz，并且带有功率放大器，可以将信号放大输出，输出电平范围可达0 dBm-30 dBm。本设计主要可以分成两大部分，主控板与前操控版，前操控版带有按键，通过UART将输入的数据发送给主控板，主控板将会根据传输的数据协议解析数据，并控制信号发生器工作，信号通过功放放大，最后通过天线发射出去。

0 引言

　　现在市场上主要的信号源主要是面向实验室测试使用，用于野外部队进行无线电监测测向训练的非常少。而且很多信号源没有功放，不能发射大功率信号，这就严重限制了信号覆盖范围，无法模拟真实的电磁环境。

1 系统整体方案设计

　　本系统主要由前操控板，主控板组成。前操控板主要是进行按键输入数据和显示输入信息、系统调试信息等，并将数据通过UART传送给主控板。主控板根据传输协议将数据解析，根据解析出的数据控制射频模块产生相应信号，并通过功放将信号放大，最后将信号通过天线发射出去，信号源发射信号使用两种天线，50 MHz-1 GHz用的是拉杆天线，发射1 GHz到4 GHz使用的是双锥天线。GPS/BD定位系统和RFID在前操控板，当GPS/BD收到信息后并将数据传送给前操控版，前操控版将信息显示出来。系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

　　本系统主要由前操作板、主控板、电源模块三部分组成。每部分上都有其对应的不同的功能，这几个部分构成了一个完整的电磁环境构建系统。这几部分之间最主要的就是数据传递。

　　2.1 前操作板

　　前操控版选用的型号是STM32F103ZET6，使用的是ARM Cortex-M3内核，512 kB Flash，64KB RAM，LQFP 144脚封装。完全符合作为前操控版的处理芯片。前操作板主要是由按键、GPS/BD模块、RFID、OLED 显示屏组成。前面操作板的主要作用就是按键输入和显示。通过按键输入频率、幅度等参数，通过OLED 屏幕显示，并通过UART传送给主控板。结构如图2所示。

　　2.2 主控板

　　主控板是信号源的重要部分，选用的芯片是STM32F407ZGT6，带有FPU 的ARM32 位 Cortex-M4处理器，1 MB的FLASH，192+4KB的SRAM，主频为168 MHz。主控板主要由射频模块、功率放大器、电压转换模块组成。当主控板接收到前操控版发送的数据时，将数据按照通信协议解析，在根据数据控制射频模块产生相应的信号，然后通过功放将信号放大，最后在通过天线发射出去。如图3所示。

　　射频模块使用的是ADI公司生产的ADF4351，本电路为宽带直接变频发射机模拟部分的完整实现方案(模拟基带输入、RF输出)。通过使用锁相环(PLL)和宽带集成电压控制振荡器(VCO)，本电路支持500 MHz至4.4 GHz范围内的RF频率。对来自PLL本振(LO)进行谐波滤波，确保提供出色的正交精度、边带抑制和低EVM。

　　此芯片的性能基本完全符合本设计需求。故选用此芯片。

　　功率放大器选用的是ADI的HMC637BPM5E，此放大器工作频率范围为直流至6 GHz。提供15 dB的小信号增益，1 dB增益压缩下的27.5 dBm输出功率，40 dBm的典型输出IP3和4 dB噪声系数，同时需要来自12 V电源的335 mA 在VDD上。也是比较符合比设计的需求。故采用此芯片。

　　2.3 电源模块

　　电源模块以CN3763为芯片，进行电源的充电管理和供电使用。CN3763具有三种充电模式，即涓流、恒流和恒压充电模式，是专门为锂电池充电进行充电管理的电源芯片。

　　在恒压充电模式下，芯片可以控制电池电压为12.6 V，也可以通过一个外部电阻向上调整;在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的锂电池，当电池电压低于恒压充电电压的66.5%(典型值)时，CN3763用所设置的恒流充电电流的17.5%对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到恒流充电电流的16%时，充电结束。此芯片的功能基本完全符合本设计使用，故采用此芯片作为充电电源芯片。结构如图4所示。

3 嵌入式软件设计

　　本设计中嵌入式程序设计主要是指前操控版的的显示程序，按键数据输入程序，系统调试信息显示程序以及给根据数据协议给主控板发送数据的程序。主控板的程序比较复杂，首先是与前面板的协议，协议主要是与前操作板的数据传输协议，就是把前操控版发送的数据解析成指令用来控制信号发生器和功放，发出按键输入的信号。

　　3.1 前操作板嵌入式程序开发

　　前操作板主要是与主控板进行数据传输以及显示系统调试信息等。系统初始化后，根据主控板通过UART发送给前操控板的数据会显示相应的信息，如系统固件版本号，PCB版本号，设备别名，IP等信息。

　　定位是通过GPS/BD定位系统，系统初始化后，GPS/BD天线开始接收数据，并通过UART2将数据发送到前操控版，将接收到的数据按照协议解析后，通过OLED 屏幕显示出来。

　　RFID模块与GPS类似，系统初始化后，RFID就会正常工作，这时就可以进行打卡操作，将标签卡放到前操控版处就可以实现打卡功能，并且可以查看打卡记录的数据。

　　前操控板主要是进行按键输入，显示以及和主控板之间的数据传输。首先是按键输入数据，系统初始化后，OLED 屏幕显示出信号参数设置频率、幅度、调试方式、射频开启状态。用户通过按键输入这些参数后，MCU会把数据通过UART发送给主控板，主控板根据数据传输协议，将数据解析后，将会控制产生相应的频率、幅度、调制方式的信号。

　　3.2 主控板嵌入式程序开发

　　主控板的嵌入式程序主要就是根据数据传输协议，将通过UART传过来的数据解析，并根据解析出来的数据控制信号发生器产生相应信号，通过功放将信号放大，最后根据频段将通过天线发射出去。在嵌入式程序中，数据协议是最关键的部分，只有通信双方定好协议，数据才可以传输，传输完成后才可以按照协议解析数据。因此，编写数据协议也是本设计的的难点。

　　传输的数据都是定义好的结构体，每一次数据传输都是将数据按照定义好的结构体的的结构传输的，所以，在解析协议时，也要按照定义好的结构体数据类型来解析数据，并且根据结构体的成员变量的数据来控制相应信号的产生。

4 主测试结果分析

　　整个系统设计基本完成后，进行整体测试，整机系统如图5所示。

　　通过按键输入频率、幅度、调制方式等数据。例如，输入信号参数，频率110 MHz，幅度0 dBm，调制方式为CW，如图6所示。

　　通过馈线将信号源输出端与频谱仪输入端连接，为了保护频谱仪，在输入端加了一个10 dBm的衰减器。观察其波形，如图7所示。

　　本次测试使用的频谱仪是Keysight N9918A。根据上图分析可知频谱仪接收到的信号是110 MHz，电平是-12 dBm，由于本次使用的馈线3 M长，所以损耗可以到达2 dBm，根据上图可知，本信号源可以正常发射信号，且信号可以被频谱仪正常接收。

5 结束语

　　本设计实现了通过按键输入数据，经UART传送到主控板，主控板根据传输协议将数据解析，并控制信号发生器产生相应频率信号，经过功率放大器放大后，通过天线发射出来，经验证，此信号源可以正常产生信号。

　　通过测试结果可知，本系统可以准确发射出输入的按键信号，在允许范围内精确度可能会有误差。

　　参考文献：

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第43页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 信号源 多种调试方式 宽频带 功率放大 UART 201811