南京理工大學(xué)電類綜合試驗(yàn)報(bào)告

1、電類綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（數(shù)字FM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)）姓 名：金威學(xué) 號(hào)：。學(xué)院名稱： 自動(dòng)化學(xué)院指導(dǎo)老師：薛文劉光祖2016年6月一、實(shí)驗(yàn)名稱數(shù)字FM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解FM數(shù)字調(diào)制解調(diào)的基本原理；2、掌握FPGA的基本結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)的一般流程;3、掌握Quartus II軟件的基本使用。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基于FPGA開(kāi)發(fā)板(DE2-115)和AD/DA板(THDB-ADA )設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字 式FM調(diào)制解調(diào)器，并要求測(cè)試調(diào)制解調(diào)器的功能和解調(diào)性能：1、按照FM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)框圖，設(shè)計(jì)一個(gè)FM數(shù)字調(diào)制器，完成對(duì)設(shè)定波形的FM 數(shù)字調(diào)制。并驗(yàn)證調(diào)制信號(hào)的正確性。2、按照FM解調(diào)的實(shí)現(xiàn)框圖，選擇合理方案

2、設(shè)計(jì)一個(gè) FM數(shù)字解調(diào)器，完成對(duì) 輸入已調(diào)信號(hào)的FM數(shù)字解調(diào)，并驗(yàn)證其功能及性能。四、實(shí)驗(yàn)要求1、基本要求(1)要求調(diào)制信號(hào)為正弦波，調(diào)制信號(hào)頻率為 100kHz,最大頻偏為100kHz, 載波頻率為3MHz 0(2)輸入已調(diào)載波信號(hào)峰峰值幅度不超過(guò) 1V,調(diào)制信號(hào)頻率不大于50kHz,載 波頻率為3MHz的正弦波。五、FM調(diào)制解調(diào)基本原理1、FM信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式FM是一種以載波的瞬時(shí)頻率變化來(lái)表示信息的調(diào)制方式，其載波的頻率跟 隨輸入信號(hào)的幅度直接成等比例變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：若調(diào)制彳S號(hào)為Xm(t),其振幅&m(t)| 1,載波信號(hào)為Xc(t) A cos(2 fct)其中A為振

3、幅，也為載波中心頻率，則已調(diào)信號(hào)為tXcm(t) Acos(2 fct 2 0 fXm( )d )其中f為最大頻偏，表示相對(duì)于載波的最大頻率偏離2、FM調(diào)制信號(hào)的時(shí)域及頻域波形圖cut put圖1已調(diào)信號(hào)時(shí)域波形圖carrier圖2 FM已調(diào)信號(hào)幅度譜2、實(shí)現(xiàn)FM信號(hào)調(diào)制的兩種方式有兩種方法分別是直接調(diào)頻和間接調(diào)頻。 直接調(diào)頻就是，根據(jù)FM信號(hào)的瞬 時(shí)頻率與調(diào)制信號(hào)幅度程線性關(guān)系這一特征， 可將調(diào)制信號(hào)的電壓作為壓控振蕩 器的控制電壓，使其輸出頻率直接受調(diào)制信號(hào)電壓的控制， 這樣壓控振蕩器的中 心頻率就是已調(diào)信號(hào)的中心頻率，而信號(hào)的瞬時(shí)頻率恰好由調(diào)制信號(hào)的電壓幅度決定，這種方式是最直接的頻率調(diào)

4、制實(shí)現(xiàn)方式。所謂間接調(diào)頻指的是，先對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行積分后得到瞬，然后利用得到的瞬 時(shí)頻率對(duì)載波信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)制。因此間接調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)方法實(shí)際上就是先積分 再調(diào)相。3、實(shí)現(xiàn)FM信號(hào)解調(diào)的兩種方式主要分為鑒相法和鑒頻法。鑒相法指的是利用鑒相電路將已調(diào)載波中的相位 信息提取出來(lái)，再對(duì)相位信息求導(dǎo)即可得到調(diào)制信號(hào)，鑒相的方法可以鑒相的方 法可以是模擬的也可以是數(shù)字的。鑒頻法指的是利用鑒頻器直接將已調(diào)載波中的瞬時(shí)頻率提取出來(lái)， 鑒頻方法 主要有兩種，一種是將 FM信號(hào)經(jīng)過(guò)頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)換成調(diào)頻-調(diào)幅波，再經(jīng) 過(guò)調(diào)幅解調(diào)得到調(diào)制信號(hào)。另一種是將 FM信號(hào)經(jīng)過(guò)頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成調(diào)頻- 調(diào)相波，再經(jīng)過(guò)鑒相器得

5、到調(diào)制信號(hào)。4、FM調(diào)制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案FM調(diào)制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)最直接的方法就是利用 DDS技術(shù)。DDS是通過(guò)控制相 位累加器的累加增量值來(lái)改變相位累加器的循環(huán)頻率。再通過(guò)相位累加器對(duì)波形表進(jìn)行查表得到所需頻率的輸出信號(hào)。其工作原理決定了我們可以很容易的改變 輸出波形的頻率和相位。圖3 DDS實(shí)現(xiàn)的FM調(diào)制框圖基于DDS的基本原理，模擬調(diào)制方法中的直接法和間接法在 DDS技術(shù)中實(shí) 際上是統(tǒng)一的，因?yàn)镈DS實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的相位累加器實(shí)際上可以看作是一個(gè)積分 器，而相位累加器的輸出實(shí)際上就代表了信號(hào)的瞬時(shí)相位。5、數(shù)字FM實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)方案由于FM是一種非線性調(diào)制，因此已調(diào)信號(hào)的頻譜寬度會(huì)大大展寬， 而在實(shí) 際應(yīng)

6、用中很多時(shí)候通信信道都是帶限的，為了防止不同頻道之間的干擾，對(duì)信號(hào)的邊帶抑制都有嚴(yán)格規(guī)定，而上述調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方案實(shí)際上并沒(méi)有考慮邊帶抑制的 問(wèn)題。根據(jù)對(duì)FM信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式的分析在最簡(jiǎn)單的單音調(diào)制下，已調(diào)信號(hào)的 邊頻分量理論上是無(wú)限多的，其幅度按照貝塞爾函數(shù)的規(guī)律下降的， 因此不能有效進(jìn)行邊帶抑制。為了有效的進(jìn)行邊帶抑制可以采用如下改進(jìn)結(jié)構(gòu):圖4改進(jìn)結(jié)構(gòu)的FM數(shù)字調(diào)制實(shí)現(xiàn)框圖6、FM的數(shù)字解調(diào)實(shí)現(xiàn)方案FM的數(shù)字解調(diào)可以采用鑒相法。接收信號(hào)先經(jīng)過(guò)正交下變頻變?yōu)榱阒蓄l信號(hào)，然后根據(jù)調(diào)制信號(hào)帶寬進(jìn)行適當(dāng)倍數(shù)抽取以降低運(yùn)算量。 正交解調(diào)得到的零 中頻信號(hào)可以計(jì)算出接收信號(hào)的瞬時(shí)相位，再通過(guò)對(duì)瞬時(shí)相位進(jìn)行

7、差分得到最后 的解調(diào)信號(hào)。圖5 FM數(shù)字解調(diào)實(shí)現(xiàn)框圖實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的正交下變頻以及抽取、差分等運(yùn)算都是數(shù)字信號(hào)處理中的常見(jiàn) 算法比較容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)比較困難的是求相位運(yùn)算，這一步運(yùn)算包含了除法以及 反正切運(yùn)算，運(yùn)算量較大。實(shí)現(xiàn)的方法一般有兩種，一種是查表法，查表法在精 度要求較高時(shí)需要很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。另一種方法是利用Cordic算法來(lái)求解，由于Cordic算法的核心思想是通過(guò)迭代運(yùn)算來(lái)逼近所求的非線性函數(shù)的函數(shù)值， 因此高精度的運(yùn)算需要較多的迭代次數(shù)。因此雖然硬件消耗量較少，但是很難滿 足較高吞吐率的運(yùn)算。具體方法的選擇需要考慮實(shí)際情況來(lái)決定。六、實(shí)驗(yàn)步驟將設(shè)計(jì)好的FM調(diào)制器代碼下載到演示板，調(diào)制

8、信號(hào)由 FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，設(shè)置調(diào)參數(shù)，包括載波頻率，調(diào)制信號(hào)頻率，調(diào)制波形及最大頻偏。用示波器觀察DAC輸出的已調(diào)載波的時(shí)域波形，并利用 Signal_tap盡可能多的記錄送給 DAC 的數(shù)據(jù)，并繪出頻譜圖。將設(shè)計(jì)好的FM解調(diào)器代碼下載到演示板，利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生已調(diào)的 FM調(diào)制信號(hào)，并設(shè)定好各項(xiàng)參數(shù)。用示波器觀察 DAC輸出端的解調(diào)時(shí)域波形, 并利用Signal_tap記錄送給DAC的數(shù)據(jù)，并繪出頻譜圖。逐步減小輸入波形幅度，觀察解調(diào)結(jié)果，找出解調(diào)器工作的門(mén)限電平并記錄。利用按鍵或者通信接口改變調(diào)制器和解調(diào)器的工作參數(shù)并通過(guò)觀察記錄輸 出波形驗(yàn)證參數(shù)改變的正確性。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果FM調(diào)制信號(hào)

9、FM調(diào)制信號(hào)Signal Tap截圖FM調(diào)制信號(hào)示波器時(shí)域波形圖AFMB調(diào)彳t號(hào)Signal Tap截圖1 .位寬的選擇在FM解調(diào)過(guò)程中，在進(jìn)行采樣信號(hào)的正交下變頻時(shí)，進(jìn)行的是14位數(shù)的乘法運(yùn)算，所得結(jié)果位寬應(yīng)為28位。而最終的DAC輸出只有14位，所以需要 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截位操作。但是對(duì)截位的選取需要慎重考慮， 若高位保留過(guò)多，可能 造成重復(fù)的符號(hào)位，導(dǎo)致實(shí)際輸出信號(hào)賦值很??；若保留過(guò)少，可能造成符號(hào)位 丟失，輸出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。一般應(yīng)借助 Signal Tap工具抓取數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，取無(wú)變 化的最高位處進(jìn)行截取，向后截取 14位。2 .偏移碼與補(bǔ)碼數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)計(jì)算是以補(bǔ)碼的形式存在，而在 ADC和DAC中是以偏移 碼的形式存在，所以在進(jìn)行AD/DA操作的時(shí)候應(yīng)注意偏移碼和補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換操作。八、總