本发明属于无线电信号的调制参数测量，尤其涉及一种调频信号的最大频偏测量系统及信号处理方法。
背景技术：
1、鉴频器作为调频信号的解调工具，有鉴频跨导、鉴频灵敏度、鉴频频带宽度等指标。鉴频器的输出电压与输入调频波的最大频偏之间存在一定的曲线关系，称为鉴频特性曲线，曲线中间有一部分接近直线，线性度较好，此时鉴频器的输出电压与输入调频波的最大频偏成正比例的关系。鉴频特性曲线中的直线部分的斜率通常称为鉴频跨导，直线部分对应的频偏范围通常称为鉴频频带宽度(鉴频线性范围)，一般要求鉴频器的频带宽度大于输入调频波最大频偏的两倍，并留有一定余量。
2、实际应用中，为了测量出调频波的最大频偏，往往需要利用鉴频特性曲线的线性部分，此时鉴频器的输出电压与调频波的最大频偏成正比例关系，可根据鉴频跨导求出调频波的最大频偏。但是实际应用中待测调频信号的最大频偏可能会出现较小和较大的极端情况，大频偏信号可能会超出鉴频器的鉴频频带宽度，致使鉴频器输出信号严重失真；小频偏信号由于鉴频灵敏度的限制，会造成鉴频器输出信号幅度较小，信噪比较低，波形失真。这两种情况都会导致待测调频信号的最大频偏参数无法准确测量，同时也限制了调频信号的最大频偏测量范围。
技术实现思路
1、本发明目的在于针对上述背景技术的不足，设计了一种调频信号的最大频偏测量系统，具体由以下技术方案实现：
2、所述调频信号的最大频偏测量系统，包括：
3、dds信号源，输出频率连续可调的单频正弦波信号或按照一定频率步进的正弦波本振信号，扫频时起始频率等于待测单音调制调频波的载波中心频率f0，步进频率等于调频波的调制信号频率f；
4、信号源，可输出电压峰峰值在10mv-100mv范围内、频率范围为5mhz～15mhz可调的载波；可输出频率范围在20hz-20khz、最大频偏在100hz-10mhz的单频正弦波作为调制信号；可输出单音调制的调频波作为待测信号的一般信号源；相关器电路，实现本振信号和待测调频波频谱中载波分量以及各阶边频分量之间的相关运算；
5、电平调整电路，对相关器输出的直流信号或低频正弦波信号添加直流偏置电平，使其满足单片机adc采样的正极性电平范围要求。
6、高速电子开关电路，实现输入信号切换两路不同的输入通道和两路输出信号切换输入单片机采样的功能。待测调频波信号在输入端通过高速电子开关切换，一路输入鉴频器电路进行解调，另一路输入相关器电路；相关器电路或鉴频器电路的输出信号可以通过高速电子开关切换输入单片机进行采样；
7、鉴频器电路，对待测的调频波信号进行解调，输出调制信号波形，输入给单片机进行采样，主要作用是确定待测调频波信号的调制信号频率；
8、单片机，进行fft运算测量出单音调制调频波的调制信号频率f；同时实现对dds信号源模块的控制，输出单频正弦波信号或连续扫频的正弦波信号作为本振信号，扫频时起始频率等于已知的调频波载波中心频率f0，扫频步长等于测定的调制信号频率f；初始化测量时，系统可使用单片机集成的adc采样相关器输出的直流漂移数据，完成直流漂移的数据采集和校正；在本振信号的扫频过程中，测量出待测调频波的载波分量和各阶边频分量的相对幅度关系，最后计算出待测调频波的调频指数和最大频偏。
9、所述调频信号的最大频偏测量系统的进一步设计在于，所述相关器电路包括：
10、有源混频器，将待测调频信号与特定频率的本振信号进行混频，通过对两路信号进行乘法运算实现频谱搬移；
11、低通滤波器，采用mfb结构的四阶rc有源低通滤波器，滤除混频后的本振信号与输入待测调频信号的和频分量、输入待测调频信号与本振信号的各种组合频率分量以及高频杂散分量，保留本振信号与输入待测调频信号位于低通滤波器截止频率内的差频分量；
12、低频放大器，由运放构成，对低频滤波后的下变频信号进行设定倍数的放大。
13、所述调频信号的最大频偏测量系统的进一步设计在于，所述鉴频器电路为电容耦合相位鉴频电路，电路可以分为三级，第一级为集电极以lc谐振回路为负载的限幅放大器，用于提高输入电压并抑制寄生调幅对调频波解调的影响，中心频率可以微调；第二级为双调谐振回路，将等幅的调频波转换为调幅-调频波；第三级为振幅检波器，用于检测调幅-调频波的包络，将振幅中和调频波瞬时频偏成正比的调制信号分量解调出来。
14、本发明还提供了一种调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法，该方法用于测量调频信号的最大频偏，其特征在于具体包括如下步骤：
15、步骤1)鉴频器电路输出解调信号，送入单片机测定调制信号频率，待测单音调制的调频波载波频率f0已知，等于鉴频器电路的中心频率；输入鉴频器电路模块，实现对调频信号的解调，解调输出的调制信号被单片机采样，并计算得到调制信号的频率f；
16、步骤2)相关器输出低频的单频正弦波信号；
17、步骤3)单片机采样单频正弦波信号的相对幅度关系，确定最大频偏：
18、所述调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法的进一步设计在于，所述步骤1)中调制信号频率的计算过程具体为：
19、步骤1-1)单片机采样鉴频器电路模块输出的解调波形，进行fft运算，获得单音调制的调频波解调波形的频谱分量分布信息；
20、步骤1-2)在fft变换后得到的频谱分量分布中，查找幅度最大且最靠近零频的频谱分量所对应的频率f，该频率f为解调波形的基波分量频率，即单音调制调频波的调制信号频率f。
21、所述调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法的进一步设计在于，如下所述步骤3)中当待测调频波的最大频偏δfm小于10khz时，通过测量调频波频谱中载波分量和一阶边频分量的相对幅度比值j0(mf)/j1(mf)，可分析计算得到调频信号的最大频偏，具体过程为：
22、单片机控制dds信号源输出扫频信号，起始频率等于调频信号的载波中心频率f0，扫频步长等于调制信号频率f；
23、本振信号作为相关器的参考信号和输入待测的单音调制调频波同时输入相关器电路，当本振信号频率为f0时，单片机采样记录相关器输出的单频正弦波峰峰值p(0)；当本振信号频率为f0+f时，单片机采样记录相关器输出的单频正弦波峰峰值p(1)；单片机计算出的相对幅度比值p(0)/p(1)等于调频波的频谱分量中载波分量和一阶边频分量之间的相对幅度比值j0(mf)/j1(mf)；
24、根据待测调频波的频谱中载波分量和一阶边频分量之间的相对幅度比值j0(mf)/j1(mf)，可计算出调频波对应的调频指数mf，具体过程为：用matlab软件仿真计算出调频信号的调频指数mf在(0.001,0.002…0.999,1)范围内，每点之间mf递增0.001，总共1000个点对应的函数k(mf)值，其中k(mf)＝1000×j0(mf)/j1(mf)，函数k(mf)值以矩阵表格的形式储存在单片机中；本振信号扫频时，单片机采样计算得到的比值p(0)/p(1)，乘以1000得到数值p＝1000×p(0)/p(1)，查矩阵表格以最接近p的函数k(mf)值对应的自变量mf确定为待测调频信号的调频指数mf，为减少测量误差，连续十次测量得到的mf取平均值，最后根据公式(1)计算出待测调频信号的最大频偏δfm；
25、δfm＝mf·f (1)。
26、所述调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法的进一步设计在于，如下所述步骤3)中当调频波的最大频偏δfm大于鉴频器电路的鉴频最大线性范围250khz时，通过对调频波频谱中各边频分量的相对幅度变化关系可分析计算得到调频信号的最大频偏，具体过程为：
27、单片机控制dds信号源输出扫频信号，起始频率等于调频信号的载波频率f0，扫频步长等于调制信号频率f；
28、本振信号作为相关器的参考信号和输入待测的单音调制调频波同时输入相关器电路，当本振信号频率为f0时，单片机采样记录相关器输出的单频正弦波峰峰值p(0)；当本振信号频率为f0+f时，单片机采样记录相关器输出的单频正弦波峰峰值p(1)；当本振信号频率为f0+nf时，单片机采样记录相关器输出的单频正弦波峰峰值p(n)。单片机计算出的相对幅度比值p(n)/p(0)等于调频波的频谱分量中n阶边频分量和载波分量之间的相对幅度比值jn(mf)/j0(mf)；
29、当本振信号扫频时，记录单片机采样计算的相对幅度比值1000×p(m)/p(0)最大时，本振信号对应的频率fmf，频率fmf等于调频波频谱一侧中幅度最大的m阶边频分量的频率，有fmf＝f0+mf，根据式(2)计算最大频偏δfm：
30、δfm＝fmf+f-f0＝(m+1)f (2)
31、所述调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法的进一步设计在于，如下步骤3)中当待测调频波的最大频偏δfm大于10khz，同时小于鉴频器电路的鉴频最大线性范围250khz时，鉴频器电路输出的解调波形为基本无失真的单极性正弦波，最大频偏使用传统的鉴频器电路进行测量，测量的具体步骤如下：根据鉴频电路的鉴频s曲线在线性区斜率基本不变的特点，预先测量出鉴频电路的鉴频s曲线；
32、计算出鉴频s曲线的斜率，即鉴频电路的鉴频跨导kf，待测调频波送入鉴频电路；单片机采样和测量鉴频器输出波形的电压幅值vm，进行fft运算，测量出单音调制调频波的调制信号频率f；根据鉴频跨导kf，由式(3)计算出待测调频波的最大频偏δfm；
33、
34、根据公式(4)计算出待测调频波对应的调频指数mf。
35、
36、本发明的有益效果
37、本发明采用相关器电路和软件算法相结合的方案，实现了对调频信号最大频偏的高精度测量，尤其适合当调频波的最大频偏较大，超出鉴频器的鉴频线性范围时(本实施例中鉴频器的鉴频线性范围约为250khz)，调频指数远大于10时的场合。此时使用传统的鉴频电路解调方案，受到鉴频器的最大鉴频线性范围的限制，鉴频器输出信号会产生明显的失真，无法通过测量其幅度值，准确的测量出调频信号的最大频偏。而使用本发明专利设计的测量系统和信号处理方法，调频信号的最大频偏在500khz及以上，无白噪声干扰时，最大频偏的测量误差不超过2.0％。
38、本发明同样适用于调频信号的最大频偏较小的测量场合(本实施例中最大频偏小于10khz)，此时使用传统的鉴频电路解调方案，受到鉴频器鉴频跨导的限制，最大频偏小于10khz时，鉴频器输出信号的幅度相应较小，信噪比过低，采样测量其幅度值时误差较大，同样导致最大频偏测量有较大误差。使用本发明专利设计的测量系统和信号处理方法，在无白噪声干扰时，最大频偏在10khz时的测量误差几乎为零，最大频偏在1khz时的测量误差基本不超过10％。
39、本发明的测量系统使用dds信号源产生本振信号，使用相关器电路快速检测待测调频波的频谱中载波分量和各阶边频分量的相对幅度。在理想条件下，相关器输出的应为直流信号，在本振信号的扫频过程中，相关器输出的直流信号幅度和调频信号频谱中载波分量幅度j0(mf)以及频率为f0+nf的各阶边频分量的幅度jn(mf)呈正比关系。但实际测量过程中，本振信号和输入待测调频信号来自不同的基准时钟源，两者在频率上不相干，因此在扫频过程中，本振信号频率和调频信号频谱中各分量的频率不可能完全相同，存在着一定的频率偏差。因此相关器输出的不是理论上的零中频直流信号，而是频率接近零频的低频信号(在本实施例中为频率10hz～20hz范围内的单频正弦波信号)，该正弦波信号的幅度值同样和调频信号频谱中载波分量幅度j0(mf)以及频率为f0+nf的各阶边频分量的幅度jn(mf)呈正比关系。本发明巧妙的利用了实测过程中，本振信号和待测调频信号包含的各频率分量之间的频率偏差克服了相关器输出存在着固有的直流漂移的问题，同时本系统通过测量调频信号的频谱中载波分量和各阶边频分量的相对幅度和变化趋势确定最大频偏参数，可以有效的降低测量误差，测量方法具有创新性。
40、单片机采样鉴频器电路输出的解调波形，进行fft分析来测量调制信号的基波分量频率，无需准确的测量解调波形中基波分量和各次谐波分量的幅度，因此对单片机的adc采样频率、采样分辨率要求不高。一般只需要adc有8位以上的分辨率，采样频率满足大于10倍的调制信号基波频率即可获得较高的基波频率测量精度。当鉴频器电路的解调波形出现明显失真时，由于解调波形依然是周期信号，因此可以准确的测量出基波信号频率(即调制信号频率)，同时对单片机的计算速度要求也不高，低成本的stm32f4系列单片机的资源和算力完全能够满足测量需求。
1.一种调频信号的最大频偏测量系统，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的调频信号的最大频偏测量系统，其特征在于所述相关器电路包括：
3.根据权利要求1所述的调频信号的最大频偏测量系统，其特征在于所述鉴频器电路
4.采用如权利要求1-3任一项所述的调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法，该方法用于测量调频信号的最大频偏，其特征在于具体包括如下步骤：步骤1)鉴频器电路输出解调信号，送入单片机测定调制信号频率，待测单音调制的调频波载波频率f0已知，等于鉴频器电路的中心频率；输入鉴频器电路模块，实现对调频信号的解调，解调输出的调制信号被单片机采样，并计算得到调制信号的频率f；
5.根据权利要求4所述的调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法，其特征在于所述步骤1)中调制信号频率的计算过程具体为：
6.根据权利要求4所述的调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法，其特征在于如下所述步骤3)中当待测调频波的最大频偏δfm小于10khz时，通过测量调频波频谱中载波分量和一阶边频分量的相对幅度比值j0(mf)/j1(mf)，可分析计算得到调频信号的最大频偏，具体过程为：
7.根据权利要求4所述的调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法，其特征在于如下所述步骤3)中当调频波的最大频偏δfm大于鉴频器电路的鉴频最大线性范围250khz时，通过对调频波频谱中各边频分量的相对幅度变化关系可分析计算得到调频信号的最大频偏，具体过程为：
8.根据权利要求4所述的调频信号的最大频偏测量系统的信号处理方法，其特征在于如下步骤3)中当待测调频波的最大频偏δfm大于10khz，同时小于鉴频器电路的鉴频最大线性范围250khz时，鉴频器电路输出的解调波形为基本无失真的单极性正弦波，最大频偏使用传统的鉴频器电路进行测量，测量的具体步骤如下：
