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
- 被测信号为电压峰峰值 100mV 的普通单音调幅（AM）电压uAM，其载频为 10MHz、调制信号为频率1~3kHz 的正弦信号。测量并显示uAM的调幅度ma，要求测量误差绝对值|Δ|≤0.1；输出解调信号，要求解调信号波形无明显失真。 （20 分）
- 被测信号为电压峰峰值 100mV 的单音调频（FM）电压uFM，其载频为 10MHz、调制信号为频率 3~5kHz 的正弦信号。测量并显示uFM的调频度mf，测量误差绝对值|Δ|≤0.3；测量并显示uFM的最大频偏 Δfm(kHz)；输出解调信号，要求解调信号波形无明显失真。（25 分）
- 被测信号为载波电压峰峰值 100mV 的高频电压um，其载频范围为 10MHz~30MHz（频率步进间隔 0.5MHz）。若um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um的调制方式，即能判断出um为调幅、调频或未调载波。测量并显示um的调制度（ma或mf），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Δfm((kHz)；输出解调信号，要求解调信号波形无明显失真。（45 分）
- 其他（10 分）
- 设计报告（20 分）
三、说明
- 题中“普通单音调幅波”是指：载波为正弦波，调制信号为单频正弦信号，其频谱包括完整的载频与上、下边频分量。题中“单音调频波”是指：载波为正弦波，调制信号为单频正弦信号。
- 本题被测信号为 AM 信号时，其调幅度范围是：0.2＜ma≤1；被测信号为 FM 信号时，其调频度范围是：1 mf≤6；被测信号为未调载波，是指被测信号为正弦载波或连续波（CW）。本题第（3）项要求测量装置能自主识别出被测信号的三种可能调制方式。
- 如测量装置需对被测信号进行 A/D 变换，应借鉴适用于对高频窄带信号抽样的“带通抽样定律”。“奈奎斯特抽样定律”亦称为“低通抽样定律”，它适于对基带信号的抽样。
- 测试时可自带具有 AM/FM 调制信号输出功能的信号源，并以自带信号源输出信号的参数设置值作为测量基准值。
- 要求第（3）项的操作必须是一键启动，装置应连续完成调制方式识别与调制度等参数的测量和显示，测量过程中不得有人工介入。
GPT-4o给出的设计方案：
一、系统概述
设计并制作一个信号调制度测量装置，用于测量并显示信号源输出的被测信号的调制度等参数，并能识别并显示被测信号的调制方式，同时解调信号。系统主要包括信号源、信号调制度测量装置、解调器和示波器。
二、硬件设计
1. 信号调制度测量装置
（1）、 AD采样模块
- 选择高精度、高速AD转换器（如TI的ADS805），模拟信号数字化。
- 采样频率： 设计为10倍于信号频率，即最高采样频率为300MHz，应选择采样率为300MSPS以上的AD采样器。
（2）、FPGA或微处理器（如TI的TMS320系列）
- 高速数据处理： 实时处理AD采样数据，计算调制度。
- 存储与传输： 对高采样率的数据进行缓存与传输处理。
（3）、测量与显示模块
- 基于FPGA或微处理器，计算调制度和最大频偏。
- 结果通过LCD显示模块实时显示。
2. 解调器
（1）、 AM解调
- 包络检波器： 设计简单的二极管+RC电路完成包络检波。
- 低通滤波器： 去除载波频率及高频干扰，只保留音频信号。
（2）、FM解调
- 鉴频器： 设计乘法器和相位比较器，通过相位与频率的对应关系进行解调。
- 低通滤波器： 去除调制信号中的高频分量，只保留音频部分。
3. 信号源和示波器
（1）、信号源
- AM信号源： 频率范围1～3kHz, 载波频率10MHz，用正弦波调制。
- FM信号源： 频率范围5～10kHz, 载波频率为3-5kHz。
- 载波调制信号源： 频率范围10MHz～30MHz，用于多种调制信号产生。
（2）、示波器
- 用于实时观察信号调制过程和解调信号波形，确认信号准确性。
三、软件设计
1. 数据采集与处理
- FPGA或微处理器通过AD采样模块获取实时信号数据。
- 实时计算调制度（AM/FM）等参数，采用傅里叶变换（FFT）或相关算法分析信号频谱。
2. 调制度计算与识别
- AM信号： 计算包络信号的峰值与谷值，求出调制度。
- FM信号： 通过频谱分析，得到最大频偏
△f，计算频率偏移量m_f。 - 识别调制方式： 根据已计算的调制度、频谱特征，判断调制方式（AM/FM）。
四、调试与测试
1. 硬件调试
- AD模块： 确保采样准确，测试不同频率和幅度下的采样情况。
- 解调模块： 测试AM解调和FM解调电路，保证调制度和频偏的准确性。
2. 软件调试
- 算法验证： 使用已知调制度的信号测试算法准确性。
- 实时性： 确保数据处理和显示在实时要求范围内。
3. 整体测试
- 测试多种信号： 包括标准AM/FM信号和复杂调制信号。
- 综合评估： 最终结果准确展示，误差符合题目要求。
五、系统优化
1. 提高采样率和分辨率，增强抗干扰能力。 2. 优化算法，减少计算时间，提高实时性。 3. 增加自动校准功能，减小测量误差。
通过以上设计方案，可以实现一个高精度的信号调制度测量系统，能够准确测量并显示信号调制度和最大频偏，识别调制方式，并实现信号解调。
GPT-4o修正：
根据奈奎斯特采样定律（也叫香农采样定理），我们只需要至少两倍于信号最高频率的采样率来准确地重建信号。因此，对于10MHz的信号，至少需要20MSPS（百万次采样/秒）的采样率。
修正：硬件设计
1. AD采样模块
- 选择高精度、高速AD转换器（如TI的ADS4249），模拟信号数字化。
- 采样频率： 根据奈奎斯特定律，至少为信号频率的两倍，即采样率为20MSPS以上的AD采样器即可。
其他设计部分保持不变，通过此优化减少了系统对高端AD转换器的需求，提高了成本效益。
Kimi的回答：
能够给出ADC的具体指标？我应该使用多高采样率和多少分辨率的ADC？
针对信号调制度测量装置的要求，ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）的选择应基于以下指标：
-
采样率（Sample Rate）：
- 根据奈奎斯特定理，采样率应至少是信号最高频率的两倍。由于被测信号的载频为10MHz，调制信号最高频率为10kHz，因此采样率至少应为20MHz以满足AM和FM信号的测量需求。然而，为了确保信号处理的稳定性和准确性，实际应用中可能需要更高的采样率，比如50MHz或更高。
-
分辨率（Resolution）：
- 分辨率决定了ADC能够区分的最小信号变化。更高的分辨率可以提供更精确的测量结果。对于调幅度和调频度的精确测量，建议至少使用12位或更高的分辨率。12位分辨率可以提供1/4096的测量精度，对于0.1的测量误差要求是足够的。如果需要更高的精度，可以选择14位或16位的ADC。
-
输入范围（Input Range）：
- ADC的输入范围应能够覆盖被测信号的峰峰值。由于信号的峰峰值为100mV，因此需要选择输入范围至少覆盖±50mV的ADC。如果信号调理电路中包含放大环节，应相应调整ADC的输入范围。
-
信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio）：
- 高SNR可以提供更清晰的信号并减少量化噪声，有助于提高测量精度。
-
有效位数（ENOB, Effective Number of Bits）：
- 有效位数是实际测量精度的指标，通常略低于标称分辨率。
-
采样和保持时间（Sample and Hold Time）：
- 采样和保持时间应足够短，以避免在采样过程中信号发生变化。
-
电源电压和功耗：
- 根据系统设计要求选择合适的电源电压，并考虑功耗，特别是便携式或电池供电的应用。
-
接口类型：
- 根据微控制器的接口能力选择相应的ADC接口，如SPI、I2C或并行接口。
-
温度范围：
- 如果设备需要在宽温度范围内工作，选择能在该温度范围内稳定工作的ADC。
-
校准能力：
- 选择支持硬件或软件校准的ADC，以补偿温度变化或长期漂移。
综合考虑上述指标，可以选择适合信号调制度测量装置需求的ADC。在实际选择时，还需要考虑成本、可用性和制造商的支持等因素。
该题目考察的知识点：
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信号调制与解调：
- 调幅（AM）信号的产生、检测和分析。
- 调频（FM）信号的产生、检测和分析。
- 载波调制的信号产生、检测和分析。
-
信号处理与测量：
- 利用AD转换和数字信号处理技术对模拟信号进行采集和处理。
- 调制度的计算方法，包括AM调制度和FM调制度的计算。
- 调制度测量的准确性、误差分析及相关校准。
-
频谱分析：
- 通过频谱分析来获取信号的频率特征，包括最大频偏的计算。
-
硬件电路设计：
- 设计和实现信号采集、处理和输出的硬件电路。
- 实现信号调制、解调模块的硬件电路设计，如包络检波器、鉴频器等。
-
系统集成与测试：
- 综合硬件和软件的设计，实现完整的信号调制度测量系统。
- 对系统的各项功能和性能指标进行测试和验证。
-
信号显示和用户界面：
- 设计显示装置以实时显示信号调制度和其它参数。
通过这些知识点的考察，可以帮助理解和掌握信号调制与解调、信号处理、频谱分析以及硬件设计等方面的综合应用。
