基于FPGA的模拟调制器实现

ＩＳＳＮ１０　０　２－４９５６　实验技术与管理　——第２５卷第１１期２００８年１１月　ＣＮｌｌ一２０３４／Ｔ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．１ｌ　ＮＯＶ．２０Ｈ０８　基于ＦＰＧＡ的模拟调制器实现　聂伟，张富丽，门佃鑫　１０００２９）　（北京化工大学计算机系统与通信实验中心，北京摘要：给出了一种基于软件无线电利用ＦＰＧＡ实现的模拟调制器实验模块的设计方法。介绍了ＦＰＧＡ实现　ＡＭ调制器的原理，并在ＤＤＳ基础上，给出了ＦＭ凋制器的实现方法。最后对系统功能和性能进行了测试，　测试结果满足设计要求。该实验模块是一个基于单片机与ＦＰＧＡ的综合开发实验平台。　关键词：调幅；调频；ＦＰＧＡ；软件无线电　中图分类号：Ｇ６４２．４２３；ＴＰ３９１．６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２－４９５６（２００８）１１—００９７—０３　Ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｏｌｏｇ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　ＮＩＥ　Ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｆｕ—ｌｉ，ＭＥＮ　Ｄｉａｎ—ｘｉｎ　（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎｏｌｏｇ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄｕｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｆｉｎｅｄ　ｒａｄｉｏ　ｗｉｔｈ　ＦＰＧＡ．Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＡＭ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ｉｓ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ＦＭ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ａ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ　ｐｌａａｔｆｏｒｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＣＵ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＭ；ＦＭ；ＦＰＧＡ；ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｆｉｎｅｄ　ｒａｄｉｏ　模拟调制，一般指调制信号和载波都是连续波　的调制方式。它有调幅（ＡＭ）、调频（ＦＭ）和调　相（ＰＭ）３种基本形式¨Ｊ。在２０世纪，模拟调制　技术曾有较大应用，如军事通信、短波通信、微波　缝”连接。　通信理论中将信号调制定义为调制信号对载波　的幅度、频率和相位进行变换　。本文在软件无　线电数学模型的基础上，利用ＦＰＧＡ（即现场可编　程门阵列）实现了ＡＭ和ＦＭ模拟调制器实验模块　的功能。该模块由高速ＡＤＣ、ＦＰＧＡ、ＤＡＣ、键盘、　中继、模拟移动通信、模拟调频广播和模拟调幅广　播等。虽然现在通信的发展趋势为数字化，但不能　完全代替模拟技术，而且模拟技术是通信理论的　基础。　ＬＣＤ和ＭＣＵ几部分组成，是一个通用的硬件设计　平台，学生不但可以利用该平台实现模拟调制器，　还可以利用它实现各种数字调制器，以及编解码　器、扩频解扩器、混频器和解调器。　软件无线电，其基本概念是把硬件作为无线通　信的基本平台，而把尽可能多的无线及个人通信功　能用软件来实现　Ｊ。它可通过改变软件程序来灵　活更改通信系统的功能和性能，其最大特点是基于　同样的硬件环境、不同的功能由软件来完成，对于　系统的升级，多种模式的运行可以自适应地完成。　ｌ模拟调制器的实现　１．１　ＡＭ的ＦＰＧＡ的实现方法　软件无线电的目的在于实现多种通信频段、多种信　道调制及各种数据格式的互通，它的基本想法是将　宽带模数和数模转换器尽可能靠近天线处，以软件　代替硬件，实现多媒体、多模式通信系统的“无　收稿日期：２００７—１２—２５　ＡＭ即标准调幅，指的是输入的调制信号，除　了来自消息的基带信号外，还包含了直流信号Ａ。，　它是调制后输出信号既含载波分量又含有边带分量　的标准调幅信号。　时域数学表达式为：　ｓＩＡＭ（ｔ）＝［Ａｏ＋ｍ（ｔ）］ＣＯＳ（　ｔ）。　（１）　作者简介：聂伟（１９６０一），男，山西省太原市人，博士，副教　授，研究方向为：软件无线电、通信信号处理等．　由于ＦＰＧＡ中实际处理的波形数据是对模拟量　采样量化后的数据，这里设定ＣＯＳ（∞　ｔ）的采样后　实验技术与管理　量化过程为：先将ＣＯＳ（０９　ｔ）一个周期（一１，１）　的数据Ａ。。映射成（一５１ｌ，５１１）的１０２４个数据　Ａｍ　，再在Ａ㈨的基础上加上５１２，使其成为ＦＰＧＡ　中真正处理的数据　（１０位二进制数据），也是　最终的量化数据，即Ａ　：Ａ　＋２　。　当Ａ　＞０时，Ａ　的补码Ａ　就是它本身，　ＡＬＯＰ＝ＡＬｏ１＋２　。　当ＡＩＪ０ｌ≤０时，补码Ａ『Ｊ０　＝２ｍ—ｌ　ＡＩ．０ｌ　ｌ，可　以推得ＡＬｏＰ＝２　一Ｉ　Ｌ０ｌ　ｌ＋２　＝ＡＬ０Ｆ＋２　。　从上面的推导可得不论Ａ　＞０还是ＡＬｏ　≤０，　它的补码都可以表示为：　ＡＩ．０Ｐ＝ＡＩ．０１＋２　。　（２）　下面对式（１）作相应的变化：　ＳＡＭ（ｎＴ）＝［５１１＋ａ５１ｌｍ　（ｎ　）］［５１１ｃｏｓ（∞　ｎＴ）］　这里，Ａ。＝１，　ａ＝…［ｍ（ｔ）］／Ａ。＝ｍａｘ［ｍ（ｔ）］，　ｍ　（ｎＴ）＝ｍ（ｎＴ）／ｍａｘ［ｍ（ｔ）］，　继续变化：　．ｓＡＭ（ｎＴ）＝５１１×５１１ＣＯＳ（６０　ｎＴ）＋　ａ×５１１ｍ　（ｎｒ）×５１１ｃｏｓ（∞　ｎＴ）。　（３）　上式中５１１ｃｏｓ（　ｎＴ）为载波信号，５１ｌｍ　（ｎＴ）为基带信号。　由式（３）可得，只要ＦＰＧＡ实现了式中的乘法　运算就可实现ＡＭ调制，这里可以直接利用ＱＵＡＲ—　ＴＵＳ　ＩＩ中的ＬＰＭ—ＭＵＬＴ模块实现带符号乘法运算。　由于这里采用的是补码乘法运算，所以运算之前必　须先对ＦＰＧＡ的处理数据作式（２）之类的处理（即　最高位取反），实现补码转换，同时乘法运算之后的　２０位数据（只取高１０位）也要作相应的补码转换　处理，ＦＰＧＡ内部具体实现过程如图１所示。　图１　ＡＭ的ＦＰＧＡ实现框图　这里只阐述了标准调幅的ＦＰＧＡ的具体实现方　法，在带符号乘法器的基础上适当地更改基带信号　和载波信号的数据，可以进一步实现ＤＳＢ—ＳＣ　ＡＭ　和ＳＳＢ　ＡＭ。　１．２　ＦＭ的ＦＰＧＡ的实现方法　ＦＭ调制信号可表示为　Ｓ　（ｔ）＝ＡｏＣＯＳ（　ｍ（ｔ）ｔ＋　。）　（４）　其中ｍ（　）为基带信号，　为频率偏移常　数。它的最大频率偏移为　＝Ｋｒｎ１ａｘ［ｍ（ｔ）］。　（５）　由式（４）可知ＦＭ调制实际上就是根据基带　信号ｍ（　）的幅度变化相应地改变　（ｔ）的频　率，从而实现信号频率调制。利用ＦＰＧＡ实现ＦＭ　也正是建立在这一基本思想上的　Ｊ。　这里是建立在ＤＤＳ的基础上，通过生成　ｍ（凡ｒ，）的幅值与相应的ＤＤＳ的频率字ＦＷＯＲＤ　（这里的频率字只是频偏）之间的映射表，并把它　制成表存储到ＲＯＭ中，ｍ（ｎＴ）为ＲＯＭ的地址　线，ＦＷＯＲＤ为ＲＯＭ地址对应的数据。　ＲＯＭ表的生成过程如下：　①计算最大频偏　对应的频率字；　②基带信号的最大值ｍａｘ［ｍ（　）］和最小　值ｒａｉｎ［ｍ（　）］分别对应最大频偏值的频率字，　以此映射关系通过Ｃ语言生成ＲＯＭ表；　③注意生成的频偏频率字的正负区别，当　ｍ（ｎＴ）为正数时，载波信号ＤＤＳ频率字加频偏　频率字；当ｍ（ｎＴ）为负数时，载波信号ＤＤＳ频　率字减频偏频率字。　ＦＰＧＡ内部具体实现ＦＭ的框图如图２所示。　图３给出了ＤＤＳ的ＦＰＧＡ电路设计框图＿５　Ｊ，信号　波形存储器为１０２４×１０ＢＩＴ，频率控制字ＦＷＯＲＤ　是４０位的，相位控制字ＰＷＯＲＤ和幅度控制字　ＡＷＯＲＤ都是１０位的。其中４Ｏ位相位寄存器输出　的４０位数据中，只取高１０位作为ｌ０位相位加法　器的输入。　图２　ＦＭ的ＦＰＧＡ实现框图　２测试结果及性能分析　下面给出本文基于ＦＰＧＡ的ＡＭ和ＦＭ两种调　制方式的测试结果及性能分析。本设计中的ＦＰＧＡ　采用的是Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＥＰ１　Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８，ＡＤＣ采用的是２０　ＭＨｚ的ＴＬＣ５５１０，ＤＡＣ采用的是１２５　ＭＨｚ的　ＴＨＳ５６５１。整个系统利用ＥＤＡ工具Ｑｕａｒｔｕｓ　Ｉ１　５．１　进行综合仿真，采用６０　ＭＨｚ的示波器和ＩＦＲ２３９９Ａ　频谱仪进行波形观察和频谱测试，从而完成实际硬　件测试。系统时钟由２０　ＭＨｚ外部晶振经ＦＰＧＡ内　部锁相环倍频到２５０　ＭＨｚ，载波信号都是由ＦＰＧＡ　内部利用ＤＤＳ原理产生，频率为２００　ｋＨｚ，基带模　拟信号通过ＴＬＣ５５　１０模数转换器由外部输入。　聂伟，等：基于ＦＰＧＡ的模拟调制器实现　９９　相位控制字　ＰＷＯＲＤ（ｉ０）　：　幅度控制字　ＡＷＯＲＤ（１０）　一波表ＲＩ０Ｍ　．．．．．．．．．．．．．一　一输出　图３　ＦＰＧＡ实现ＤＤＳ的框图　２．１　ＡＭ的测量结果及分析　础和软件无线电的设计思想上，将ＦＰＧＡ与带符号　这里测试中的基带信号频率为１　ｋＨｚ，调幅指　乘法器相结合，实现了ＡＭ调制，将ＦＰＧＡ与直接　数为０．５。通过示波器测得ＡＭ调制信号的波形如　数字频率合成（ＤＤＳ）技术相结合实现了ＦＭ调　图４所示，从图４可见，调制指数为０．５的ＡＭ调　制。该调制器最高输出载波频率可达２６　ＭＨｚ（理　制的波形与理论相符，达到很好的效果。　论值达１２５　ＭＨｚ）。巧妙地利用软件实现了模拟调　制，极大地简化了传统模拟设计方法中的混频器和　调频器的设计。实际测试结果表明，该系统的设计　满足了主要功能要求，仪器所测结果与理论值基本　符合，达到了设计目的。　本调制器在设计中运用ＦＰＧＡ实现了乘法器和　直接数字频率合成器，因此该平台还可作为数字混　图４　ＡＭ调制信号实测波形　频器和多功能函数发生器，以及数字调制器。另　２．２　ＦＭ的测量结果及分析　外，ＭＣＵ和ＬＣＤ、键盘的加入又增加了平台的友　这里设置ＦＭ的最大频偏为１００　ｋＨｚ，通过频　好控制能力和与Ｐｃ机的通信能力。该实验平台在　谱仪测得的ＦＭ的频谱图如图５所示，从图５中可　具有模拟调制功能以外，完全是一个开放式的、通　以看到，ＦＭ调制信号的中心频率为２００　ｋＨｚ，符　用式的单片机与ＦＰＧＡ的综合开发平台。该设计具　合理论设计。同时左右两个最高峰点的频率分为　有简易、通用、实时和易升级等优点，通过实际运　１０３．７　ｋＨｚ、３０２．９　ｋＨｚ，也基本上与理论值１００　行效果良好，并且广泛应用于本校电子信息和通信　（２００—１００）ｋＨｚ、３００（２００＋１００）ｋＨｚ稳合，实　工程等专业学生的生产实习、综合课程设计、毕业　现了ＦＭ的设计目的。　设计和各种电子竞赛中。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　［１］周炯柴，庞沁华，续大我，等．通信原理［Ｍ］．北京：北京邮　电大学出版社，２００２．　［２］徐以涛，沈良，王金龙．ＦＰＧＡ技术在软件无线电中的应用　［Ｊ］．电信科学，２００１（１１）：３６—３９．　［３］Ｊｏｓｅｆ　Ｎｏｎ，Ｅｕｒｉｅｏ　Ｂｕｒａｃｈｉｎｉ．Ｓｏｆｔｒａｒｅ　Ｒａｄｉｏ－ａ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ａ—　ｄａｐｆｉｖｅ　ａｃｃｅｓｓ　ｆ　Ｊ］．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｐｕ—　ｔｉｎｇ，２００２，２（８）：７８９－７９８．　［４］王秋生，王祁，孙圣和．直接数字合成调频信号的研究［Ｊ］．　图５　ＦＭ调制信号实测频谱图　仪器仪表学报，２０００，４（２１）：４２８—４３０．　［５］潘松，黄继业．ＥＤＡ技术实用教程［Ｍ］．２版．北京：科学出版　３结束语　社，２００５．　［６］董国伟，李秋明，赵强，等．基于ＦＰＧＡ的直接数字频率合成　本文在掌握模拟调制技术原理及实现方法的基　器的设计［Ｊ］．仪器仪表学报，２００６（６）：８７８—８７９．