一、任务
设计制作可对信号发生器输出信号M u进行调制方式识别与参数估计的装置（以下简称为装置）。装置既能显示调制方式识别与参数估计的结果，也能输出解调信号o u供示波器观测波形。装置与测量仪器组成的系统框图如图1所示。
图 1 装置与测量仪器组成的系统框图
二、要求
1．基本要求
信号发生器输出uM可能为 AM、FM 或连续载波（CW）三种信号，其载波电压峰峰值为 100mV、载频fc为 2MHz，uM有关参数的估值范围与误差要求见本题说明（1）~（3），对解调信号uo的要求见本题说明（4）。
（1）已知uM为 AM 信号（含载频分量的双边带调幅信号），其正弦调制信号频率F =1kHz。估计并显示该 AM 信号的调幅系数ma；输出解调信号uo供示波器观测波形。
（2）已知uM为 FM 信号，其正弦调制信号频率F=5kHz，估计并显示该 FM波的调频系数mf、最大频偏 fmax ；输出解调信号uo供示波器观测波形。
（3）未知uM调制方式条件下，装置可自主识别并显示uM的调制方式。
（4）当uM为 AM 波或 FM 波时，其正弦调制信号频率 F 均为 1kHz、2 kHz、3 kHz、4 kHz、5kHz 中的某一频率。在基本要求（3）的基础上，装置能够估计并显示uM的有关参数、输出解调信号uo 。具体要求为：若uM识别为 AM 信号，估计并显示其正弦调制信号频率 F、调幅系数ma，输出解调信号uo供示波器观测波形；若uM识别为 FM 信号，估计并显示其正弦调制信号频率 F、调频系数mf、最大频偏fmax，输出解调信号uo供示波器观测波形；若uM识别为 CW 信号，则显示字符“CW”。
2．发挥部分
uM可为二进制幅度键控（2ASK）、移相键控（2PSK）或移频键控（2FSK）信号，三者均传输二进制不归零（NRZ）码，码速率Rc可为 6kbps、8kbps、10kbps中的一种；uM载波电压峰峰值为 100mV、载频fc为 2MHz。要求装置能够自主识别并显示uM的键控方式，并具备以下功能：
（1）若uM识别显示为 2ASK 信号，估计并显示uM传输的二进制码速率Rc，在示波器上显示解调输出的二进制码序列波形。
（2）若uM识别显示为 2FSK 信号，估计并显示uM传输的二进制码速率Rc、uM的移频键控系数 h，在示波器上显示解调输出的二进制码序列波形。
（3）若uM识别显示为 2PSK 信号，估计并显示uM传输的二进制码速率Rc，在示波器上显示解调输出的二进制码序列波形。
（4）其他。
三、说明
（1）本题uM的载波为正弦波，uM的信号类型及其参数估值范围包括：AM（调幅系数：0.3＜ma<1）、FM（调频系数：1≤mf≤5）、CW、2ASK、2PSK、2FSK（移频键控系数：2≤h≤5）信号，移频键控系数h= |fc1 - fc0|/Rc，其中fc1和fc0分别为 2FSK 信号发送二进制码 1 和 0 的载频值。
（2）本题所指定的uM参数值（如载频、调制信号频率等）是指参赛队自用信号发生器输出信号uM的参数设置值，信号发生器以内调制方式产生uM 。
（3）装置的参数估计误差要求：ma估计值与其信号发生器设置值误差的绝对值≤0.1；mf估计值与其信号发生器设置值误差的绝对值≤0.3；F 估计值与其信号发生器设置值误差的绝对值≤50Hz；delta(fmax) 估计值与其信号发生器设置值误差的绝对值≤300Hz。
（4）解调信号输出必须为单一端口输出。用示波器观测解调信号uo时，uo应无明显的波形失真，且电压峰峰值不低于 1V。
（5）参赛队员必须熟练掌握自用信号发生器（函数发生器）输出信号（含AM、FM、CW、2ASK、2PSK、2FSK 信号）参数的设置操作技能。要求参赛队携带自用信号发生器参加赛区测试和全国复测，在作品测试过程中，应按测试专家具体要求熟练地自行设置信号uM的有关参数。
（6）各项测试中，参赛队自行完成对uM参数的设置后，按下装置的“启动键”对uM进行调制方式识别、参数估计和显示，按下“启动键”10 秒后仍无法显示出结果的，该项测试结束且不得分。在每次设置uM参数之前，允许操作键盘一次；从开始设置uM参数到装置显示出结果期间，除按一下“启动键”外，禁止对装置进行任何其他操作，否则视为违规。
GPT-4o给出的设计方案：
一、硬件选择
- 信号发生器：选择高稳定性信号发生器，支持AM、FM、CW、2ASK、2PSK、2FSK等调制方式，输出频率范围10kHz至2MHz，最大输出振幅100mV。
- 信号分析与计量装置：
- 解调模块：支持上述所有调制信号的解调。
- 信号采集模块：高速ADC，采样率大于10MHz，分辨率12位以上。
- 数据处理模块：基于FPGA或高速DSP，实现实时信号处理和参数估计。
- 显示模块：LCD显示屏，用于输出调制方式识别和参数估计结果。
- 电源模块：稳定的低噪声直流电源，输出电压3.3V和5V。
二、系统结构
- 输入端：信号发生装置生成各种调制信号，并将其输入到调制方式识别与参数估计装置。
- 解调模块：识别调制方式，并进行相应的解调操作。
- 信号处理模块：对解调后的信号进行参数估计，包括调制度、调频偏移、最大频偏等。
- 输出模块：将解调后信号的时域波形和频谱通过显示屏显示。
三、软件设计
- 初始化：初始化ADC、FPGA/DSP和显示模块。
- 调制方式识别：
- 时域分析：计算信号的包络，利用包络判断方法识别AM信号；利用频率变化判断方法识别FM信号。
- 频域分析：通过FFT对信号进行频谱分析，识别CW信号。
- 调制参数估计：
- 调幅信号：估计调制度和包络。
- 调频信号：估计频偏和瞬时频率。
- 数字调制信号：估计信号的码速率和调制深度。
- 显示与输出：
- 实时绘制时域波形和频域图。
- 显示调制方式和相关参数。
四、校准与测试
- 使用标准信号校准装置，验证解调模块和信号处理模块的准确性，确保测量精度。
- 对不同调制方式的信号进行测试，确保解调与参数估计在规定误差范围内。
通过该设计方案，可以实现对不同调制方式信号的精确识别和参数估计，满足图中所述的所有要求。
题目考察的知识点：
本题目考察了多种调制信号的识别与参数测量装置的设计和实现，涉及以下知识点：
- 调制技术：熟悉AM、FM、CW、2ASK、2PSK和2FSK等多种调制方式的基本原理及其信号特征。
- 信号处理：包括信号的采集、时域及频域分析、调制方式的识别和相关调制参数的估计。
- 硬件设计：选择和集成信号发生器、解调模块、信号采集模块（如ADC）、数据处理模块（如FPGA或DSP）及显示模块。
- 参数测量：掌握调制度、调频偏移量、最大频偏等调制参数的测量方法及误差控制。
- 系统校准与测试：确保系统在特定频率范围和信号特性下的准确性和稳定性。
通过以上知识点的综合应用，设计出的系统能够准确识别调制方式并提供精确的参数测量。
