摘要: 针对电子信息类专业创新课程实践教学，以工程应用中周期信号有效分离为目标，研究开发了一种基于FPGA芯片和STM32微处理器，集信号混合、采集、频谱分析、数字滤波、信号再生于一体的双路周期信号分离实践教学装置。首先，由加法器完成两路周期信号混合，经A/D离散采样传输至FPGA芯片；其次，经带通滤波和高速采样，发送至STM32处理器进行快速傅立叶变换，经频谱分析判断识别出信号类型和频率；然后，将两路信号识别结果发送给FPGA芯片，对混合信号分两路分别进行带通滤波、波形转换、波形选择输出；最后由插值滤波处理后送入D/A再生分离信号。实验结果表明，该装置能够有效分离双路20 kHz~100 kHz正弦、三角波信号，且分离信号与原始信号特征相同、无失真，适用于信号处理类课程实践教学和新工科创新人才培养。
Abstract:
A dual channel periodic signal separation practical teaching device based on FPGA chips and STM32 microprocessors, integrating signal mixing, acquisition, spectrum analysis, digital filtering, and signal regeneration, has been developed for innovative courses in electronic information majors, with the goal of effectively separating periodic signals in engineering applications. Firstly, the adder completes the mixing of two periodic signals, which are then transmitted to the FPGA chip through A/D discrete sampling; secondly, after band pass filtering and high-speed sampling, it is sent to the STM32 processor for fast Fourier transform, and the signal type and frequency are identified through spectrum analysis; then, the recognition results of the two signals are sent to the FPGA chip, and the mixed signal is divided into two channels for band pass filtering, waveform conversion, and waveform selection output; finally, it is processed by interpolation filtering and sent to the D/A regeneration separation signal. The experimental results show that the device can effectively separate dual 20 kHz~100 kHz sine and triangular wave signals, and the separated signals have the same characteristics as the original signals without distortion. It is suitable for practical teaching of signal processing courses and the cultivation of innovative talents in new engineering.
1. 引言
随着新一代信息技术产业的持续发展升级，新工科建设下高校创新型实践教学的人才培养手段将面临新的挑战 [1] [2] 。电子信息类专业信号类课程涉及数字电子技术、模拟电子技术、信号与线性系统、数字信号处理、嵌入式技术、程序设计等多项技术，具有知识面宽、交叉性强、新技术新方法不断涌现等特点 [3] ，相关课程的交叉融合越发重要。文献 [3] 设计了一个集信号产生、采集与处理于一体的综合性实验教学案例，主要涉及时钟信号产生、采集与处理的基础性实验；文献 [4] 给出了数字信号处理多目标层次化实验方案，能够解决数字信号处理课程教学中理论与应用相结合的问题，未涉及具体实现平台；文献 [5] 给出了基于STM32实现了双通道周期信号分离装置，由于分离信号基于AD9833信号发生器产生，分离信号与原始信号不同源，因此无法实现完全同频。
本文针对上述问题，立足现代工业生产中周期信号检测和分离实际 [5] [6] ，分别利用FPGA高速并行处理能力、STM32微处理器丰富资源和数据处理能力，基于模块化的设计方案以满足理论验证、工程应用、创新实践等层次化实践教学需求为目标，设计一种周期信号分离创新实践教学装置，基于频谱分析和数字滤波的方法解决分离信号与原信号同频问题。基于该实验平台可以进行“入门–提高–应用–研发”的阶梯式层次化教学组织，进而达到“由通用到专项、由专项到集成、由集成到创新”的递进式项目化教学目标，能够有效逐步提升学生解决复杂工程问题能力和创新实践能力，助力新工科电子信息类专业人才培养。
2. 设计原理
信号处理是周期信号分离技术的基础，它涉及对信号进行采集、转换、分析以及处理等多个环节。傅里叶变换是周期信号分离的重要工具，通过傅里叶变换，可以实现对信号的频谱分析，为信号处理和分离提供理论依据。滤波器是周期信号分离中的重要组成部分，它根据需要对信号进行滤波处理，提取所需信号成分。滤波器设计涉及滤波器的类型选择、参数设置等多个方面，其性能直接影响到周期信号分离的效果。如图1所示，基于模块化的周期信号分离创新实践教学装置主要由加法器模块、信号分离模块、电源模块组成。其中信号分离模块包括极性变换电路、A/D模块、FPGA模块、STM32模块、D/A模块、低通滤波器等。电源模块为系统提供所需各种电压的电源；加法器模块实现两路周期信号A和B相加，得到混合信号C，再进行信号极性变换，经A/D模块离散采样后传输至FPGA模块；FPGA模块主要功能包括带通滤波、高速采样、混合信号分离；STM32模块主要功能包括FFT运算、频谱分析；最后由D/A模块及低通滤波器再生分离信号A'和B'。
Figure 1. Block diagram of periodic signal separation device
图1. 周期信号分离装置方框图
3. 硬件电路设计
3.1. 加法器电路
加法器的主要作用是将两路信号进行叠加求和，以实现将信号A和B混合成C信号，加法器电路如图2所示。图中U1为运放芯片OP37，该芯片具有较低的输入偏置电流和较高的增益精度，以及较高的共模抑制比和较宽的带宽，能够提供稳定和准确的放大性能，满足设计需要。
3.2. 极性变换及A/D电路
极性变换及A/D电路如图3所示。U2为高速A/D转换芯片ADC08200，具有8位分辨率，能够在小于1 µs的时间内完成转换，采样率达200 MSPS，且可以与TTL或CMOS数字电路直接接口，易于集成到现有设备中。ADC08200要求模拟输入必须是单极性信号，动态范围0-VRT。U3A为比例放大器，同相端加直流偏置实现将双极性信号转换为单极性信号，满足A/D转换器极性要求。电路中AD_D0~AD_D7为8位数据接口，AD_C信号为FPGA提供的转换时钟信号。
Figure 3. Polarity transformation and A/D circuit
图3. 极性变换及A/D电路
3.3. FPGA接口电路
由于混合信号波形和频率不确定，采用模拟滤波器无法实现将A、B信号从混合信号中分离出来，基于FPGA设计的数字滤波器，既能实现线性相位及相位控制，又能灵活方便调整滤波器类型和参数。图4所示为FPGA芯片EP4CE22E22A7接口电路。FPGA芯片通过数据信号接口AD_D0~AD_D7、时钟信号接口AD_C与A/D模块连接，采集输入混合信号；由FPGA对采集数据进行数字滤波、波形变换、波形选择等信号处理，处理过后的分离信号数据经两路D/A接口输出，DA_D0~DA_D7、DA_D10~DA_D17是两路数据信号接口，DA_C、DA_C2为对应时钟信号接口；U5RX、U5TX为异步串行接口，接收STM32发送的信号类型、频率、相位差等数据信息；SPI2MOSI、SPI2MISO、SPI2SCK、SPI2NSS为FPGA与STM32微处理器通信SPI接口，用于向STM32发送混合信号采样数据。
3.4. STM32接口电路
STM32微处理器U5接口电路如图5所示，SPI接口用于接收FPGA发送的混合采样数据信号，经FFT运算和频谱数据分析后，将信号类型、频率、相位差等数据信息经异步串行接口发送给FPGA芯片配置滤波器参数和后续处理。另外，该电路还包括TFT串口屏接口、按键接口、LED指示灯接口等。
3.5. D/A电路
数模转换电路如图6所示。U6为高速D/A转换芯片AD9708，芯片转换速率达210 MSPS，由于要分离两路信号，因此D/A转换需要两路。电路中DA_D0~DA_D7为8位数据接口，DA_C信号为FPGA提供的转换时钟信号。U7B比例放大器将AD9708差分电流信号转换成电压信号，比例放大器U7A构成同相跟随器隔离前后级电路，保持输出端电压稳定，有效避免输出信号中的噪音和干扰。
4. 软件算法
软件实现分为FPGA和STM32两部分，分别利用FPGA高速并行处理能力、STM32丰富的外设接口和数据处理能力实现各自功能。以正弦波、三角波信号分离及相位可调为例，其软件模块逻辑结构图如图7所示。
Figure 7. Logic structure diagram of software module
图7. 软件模块逻辑结构图
图7所示软件算法工作原理：A/D采集C点信号后，送入FPGA经过FIR带通滤波器滤波后使用2048 kHz采样率进行采样，然后通过SPI接口传输给STM32处理器。由STM32进行2048点FFT运算，此时频点间隔即为1 kHz，查找FFT输出的模最大值和次大值，其对应的频率分别为其下标值 × 1 kHz，即两个原始信号A和B的频率fA和fB。正弦波仅有基波分量，三角波具有快速衰减的奇次波分量，通过计算两个信号三次谐波和基波分量的比值，可以快速分辨信号是正弦波还是三角波，而当两个信号频率刚好存在3整数倍关系时，可进一步细化判断其信号类型。通过按键由STM32设置分离后信号的相位差参数，将其与计算分析出的信号频率、类型通过UART串口发送给FPGA。FPGA获取fA和fB后，通过采样率转换模块对C信号采样率进行转换，采样率分别设置为20 × fA、20 × fB，再分别经过两个中心频率为fA、fB，带宽 < 5 kHz的带通滤波器滤波，得到两路正弦信号。再分别经过比较器和积分器组成的正弦转三角波波形转换模块转换成三角波信号。接下来由波形选择器模块依据STM32提供的判决波形类型信息，从正弦波信号和三角波信号中选择一种信号，经过8倍插值滤波后，A通道直接送到D/A输出信号A'，B通道则要依据STM32提供的相位差信息，结合相位差测量模块测量结果由相位调节模块完成相位调整，最后再依据STM32提供的相位差信息从未调整相位和调整相位信号中选择一种信号，送到D/A输出信号B'，完成两路周期信号分离。
5. 实验验证
下面以正弦波、三角波信号分离为例，验证本创新实践教学装置信号分离性能。实验仪器使用信号源型号为普源DP832A，示波器型号为泰克TBS2204B。如图8所示，(a)图和(b)图中CH1通道为50 kHz原始正弦信号A，CH2通道为100 kHz原始正弦信号B；(a)图中CH3通道为经加法器叠加后得到的混合信号C，叠加效果理想；混合信号C通过信号分离模块进行处理，从(b)图中CH3通道和CH4通道可以清晰地观察到分离信号A'和B'的原始特征，相比原始信号A和B波形无失真，波形在示波器上能连续稳定同频显示。
(a) (b)
Figure 8. Separation of 50 kHz and 100 kHz sine signals
图8. 50 kHz和100 kHz正弦信号分离
如图9所示，CH1通道为30 kHz原始三角波信号A，CH2通道为90 kHz原始三角波信号B，两路信号均为三角波信号且具有3倍频率关系。如图10所示，CH1通道为90 kHz原始正弦波信号A，CH2通道为100 kHz原始三角波信号B，两路信号类型不同且频率仅相差10 kHz。由此可以看出，图9和图10测试的周期信号A和B具有典型代表性，CH3和CH4通道都可以清晰地观察到分离信号A'和B'的原始特征，相比原始信号A和B同频率、不失真、稳定显示不漂移。
Figure 9. Separation of 30 kHz and 90 kHz triangular wave signals
图9. 30 kHz和90 kHz三角波信号分离
Figure 10. Separation of 90 kHz sine wave and 100 kHz triangular wave signals
图10. 90 kHz正弦波和100 kHz三角波信号分离
6. 结论
本文以工业生产中周期信号检测为背景，采用模块化的设计方法，开发设计了一种适用于电子信息类专业创新实践教学的周期信号分离装置。选用频率范围20 kHz~100 kHz、频率分别为10 kHz整数倍的正弦波、三角波信号作为测试原始信号进行信号分离测试实验，测试结果显示，分离信号与原始信号特征相同，无失真现象，装置能够实现对周期信号的准确分离，并且表现出良好的稳定性和可操作性。装置模块化设计方案可以满足分层递进式项目化教学需求，一方面可以进行信号混合、数据采集、信号变换、信号分析、数字滤波、信号产生等信号基础理论训练；另一方面，可以进行信号分离、信号识别及参数测量等工程应用综合性训练；再者，可以进行拓展创新性训练和应用项目开发。目前，本创新实践教学装置已经用于江苏理工学院大学生电子设计竞赛及大学生创新项目训练中，取得了较好的效果。总之，该创新实践教学装置能够更好地帮助学生深入理解周期信号分离的原理和方法，创新训练内容可拓展性强，对于提升学生解决复杂工程问题能力、实践能力和创新思维具有积极作用。
基金项目
教育部产学合作协同育人项目(202102563009)；常州市5G + 工业互联网融合应用重点实验室(CM20223015)。
NOTES
*通讯作者。