logo资料库

基于FPGA的模拟调制器的设计.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.80M 资料格式：doc 举报 版权申诉
第1页 / 共56页
第2页 / 共56页
第3页 / 共56页
第4页 / 共56页
第5页 / 共56页
第6页 / 共56页
第7页 / 共56页
第8页 / 共56页
资料共56页，剩余部分请下载后查看
    1前言
    1.1 设计背景
    1.2 设计目标
    1.3 实施计划
    2总体方案设计
    2.1 方案比较
    2.1.1 方案一基于数字锁相式频率合成器的模拟调制实现
    方案一原理框图如图2.1所示：
    图2.1 方案一的原理框图
    2.1.2 方案二基于DDS的IQ调制FPGA实现
    方案二原理框图如图2.2所示：
    图2.2 方案二的原理框图
    2.1.3 方案三基于FPGA的模拟调制实现
    方案三原理框图如图2.3所示：
    图2.3 方案三的原理框图
    2.2 方案论证
    2.3 方案选择
    3硬件设计
    3.1 单片机系统模块设计
    3.1.1 时钟和复位电路
    图3.1晶振电路 图3
    3.1.2 串口通信电路
    图3.3 串口通信电路
    3.1.3 电源电路
    图3.4 电源电路
    3.1.4 DDS载波信号产生电路
    图3.5 DDS载波产生电路
    3.1.5 A/D转换电路
    图3.6 A/D转换电路
    3.2 FPGA系统模块设计
    3.2.1 有源晶振电路
    图3.7 有源晶振电路
    3.2.2 电源电路
    图3.8 1.2V和3.3V电源电路
    3.2.3 JTAG下载电路
    图3.9 JTAG下载电路
    3.2.4 D/A转换电路
    图3.10 调幅波和调频波D/A转换电路
    3.3 核心器件介绍
    3.3.1 单片机STC89C52介绍
    图3.11单片机STC89C52 I/O接口电路
    3.3.2 AD9851介绍
    图3.12为DDS芯片AD9851引脚分布图。下面将对AD9851引脚进行简要功能描述：
    图3.12 AD9851管脚分布图
    3.3.3 EP2C5T144C8N介绍
    图3.13 EP2C5T144C8N I/O接口电路
    图3.13为 EP2C5T144C8N 芯片管脚分布和I/O口约束图。下面将对设计中运用到的重要管脚
    4软件设计
    图4.1 信号调制总框图
    4.1 DDS载波信号产生模块
    图4.2 AD9851产生载波信号流程图
    4.2 FPGA调制波产生模块
    图4.3 基于FPGA的DDS信号源顶层模块连接图
    4.3 FPGA实现调幅波模块
    图4.4 基于FPGA的AM调制顶层模块连接图
    4.4 FPGA实现调频波模块
    图4.5 基于FPGA的FM调制顶层模块连接图
    5系统整合调试
    5.1 硬件调试
    5.2 软件调试
    6系统功能、指标参数
    6.1 系统功能
    6.2 系统指标参数测试
    6.2.1 FPGA产生调制波模块仿真
    图6.1 K=8时仿真图
    图6.2 K=64时仿真图
    图6.3 K=512时仿真图
    6.2.2 FPGA调幅模块仿真
    图6.4 Kf=0.5时仿真图
    图6.5 Kf=0.8时仿真图
    图6.6 Kf=1时仿真图
    图6.7 载波频率为6.2MHZ时仿真图
    图6.8调制波频率为400KHZ 时仿真图
    6.2.3 FPGA调频模块仿真
    图6.9 mf=2时仿真图
    图6.10mf=3时仿真图
    图6.11 mf=4时仿真图
    图6.12 调制波频率为400K时仿真图
    图6.13 载波频率为6.2MHZ时仿真图
    6.3 系统功能及指标参数分析
    7结论
    8总结与体会
    9谢辞
    10参考文献
    11附录一：基于FPGA的模拟调制实现原理图
    12附录二：基于FPGA的模拟调制实现FPGA顶层图
    13附录三：基于AD9851正弦载波产生C语言程序
    14附录四：外文资料翻译
    西华大学毕业设计说明书 目 录 1 前言 ....................................................................1 1.1 设计背景 .......................................................... 1 1.2 设计目标 .......................................................... 1 1.3 实施计划 .......................................................... 1 2 总体方案设计 ............................................................2 2.1 方案比较 .......................................................... 2 2.1.1 方案一基于数字锁相式频率合成器的模拟调制实现 .................2 2.1.2 方案二基于 DDS 的 IQ 调制 FPGA 实现 .............................2 2.1.3 方案三基于 FPGA 的模拟调制实现 ................................3 2.2 方案论证 .......................................................... 3 2.3 方案选择 .......................................................... 7 3 硬件设计 ................................................................9 3.1 单片机系统模块设计 ................................................ 9 3.1.1 时钟和复位电路 ...............................................9 3.1.2 串口通信电路 ................................................10 3.1.3 电源电路 ....................................................10 3.1.4 DDS 载波信号产生电路 ........................................ 11 3.1.5 A/D 转换电路 ................................................ 11 3.2 FPGA 系统模块设计 .................................................12 3.2.1 有源晶振电路 ................................................12 3.2.2 电源电路 ....................................................12 3.2.3 JTAG 下载电路 ............................................... 13 3.2.4 D/A 转换电路 ................................................ 13 3.3 核心器件介绍 ..................................................... 14 3.3.1 单片机 STC89C52 介绍 .........................................14 3.3.2 AD9851 介绍 ................................................. 15 3.3.3 EP2C5T144C8N 介绍 ........................................... 16 4 软件设计 ...............................................................20 4.1 DDS 载波信号产生模块 ..............................................21 4.2 FPGA 调制波产生模块 ...............................................22 4.3 FPGA 实现调幅波模块 ...............................................23 I
    西华大学毕业设计说明书 4.4 FPGA 实现调频波模块 ...............................................24 5 系统整合调试 ...........................................................25 5.1 硬件调试 ......................................................... 25 5.2 软件调试 ......................................................... 25 6 系统功能、指标参数 .................................................... 27 6.1 系统功能 ......................................................... 27 6.2 系统指标参数测试 ................................................. 27 6.2.1 FPGA 产生调制波模块仿真 ..................................... 27 6.2.2 FPGA 调幅模块仿真 ........................................... 28 6.2.3 FPGA 调频模块仿真 ........................................... 31 6.3 系统功能及指标参数分析 ........................................... 33 7 结论 ...................................................................34 8 总结与体会 .............................................................35 9 谢辞 ...................................................................36 10 参考文献 ..............................................................37 11 附录一：基于 FPGA 的模拟调制实现原理图 ................................ 38 12 附录二：基于 FPGA 的模拟调制实现 FPGA 顶层图 ........................... 40 13 附录三：基于 AD9851 正弦载波产生 C 语言程序 ............................ 41 14 附录四：外文资料翻译 ................................................. 44 II
    西华大学毕业设计说明书 1 前言 随着电子、通信技术的不断发展和广泛运用，现代电子、通信设备正日益成为人们 日常生活中必不可少的一部分。比如无线电通信、广播、电视、导航等系统，它们都会 利用各种类型的电路来加工或者处理各种类型的信号，而欲保质保量的传输信号，都需 要利用能够实现信号频谱搬移的电路。近年来，软件无线电是无线电系统从模拟到数字 再向前发展的新阶段，调制方式已全面从模拟的调幅、调频及调相转换到新的数字调制 技术，但模拟调制技术仍然不可完全被替代。本文就是基于此目的介绍一种基于 FPGA 的模拟调制技术数字化实现方案。 1.1 设计背景 软件无线电是在无线通信领域提出的一种新的通信系统体系结构，其核心思想是以 开放性、标准化、模块化的硬件为通用平台，通过在平台加载不同软件来实现对工作频 段、调制解调、信道多址方式等无线功能的灵活配置。而调制技术是软件无线电的主要 组成部分，近年来调制技术正朝着数字化、集成化方向发展。高质量的信号源也是软件 无线电的重要组成部分，近来被广泛使用的直接数字合成技术具有相对带宽宽、频率分 辨率高、频率转换时间快、输出相位连续、可编程和全数字化、控制灵活、性价比高等 优点。目前软件无线电调制技术多采用具有调制功能的专用芯片或可编程器件和专用芯 片相结合的方法实现，灵活性并不是很强。 1.2 设计目标 在本设计中选用 EP2C5T144C8N 型 FPGA 作为主控制器件，主要完成调制波得产生和 调频、调幅的 FPGA 实现；采用 STC89C52 作为协控制器，一方面完成对 FPGA 和 DDS 芯 片传输频率控制字；另一方面主要在调制时输入调幅控制字和调频控制字；选用 AD9851 DDS 芯片产生高频载波信号。本设计的内容主要分为三部分，一是系统硬件设计，主要 包括单片机控制电路、DDS 载波信号产生电路和 FPGA 核心电路的设计；二是对系统软件 部分的设计，应用 Verilog 语言实现调制信号的产生和调幅、调频的 FPGA 实现；三是 通过软件仿真和硬件仿真对设计进行验证。 1.3 实施计划 首先查阅相关资料确定其方向对整个设计有整体的规划、构思。然后选择方案， 简述其实现原理，分别对方案进行论证比较，确定一种方案。紧接着对选定方案进行单 元模块设计、软件设计、系统总体调试仿真、系统功能指标分析验证。最后得出结论， 完成报告。 第 1 页
    西华大学毕业设计说明书 2 总体方案设计 通过查阅大量相关技术资料，根据公司的具体要求，并结合自己的实际情况，主要 提出了三种技术方案来实现系统功能。下面首先对这三种方案的实现原理框图分别进行 说明，并分析比较它们的特点，然后再选择方案并阐述选择方案的原因。 2.1 方案比较 设计了三种方案：方案一为基于数字锁相式频率合成器的模拟调制实现；方案二 为基于 DDS 的 IQ 调制 FPGA 实现；方案三为基于 FPGA 的模拟调制实现。 2.1.1 方案一基于数字锁相式频率合成器的模拟调制实现 方案一原理框图如图 2.1 所示： 图 2.1 方案一的原理框图 方案一主要由数字锁相式频率合成器、MC1496、变容二极管调频电路和带通滤波器 组成。数字锁相式频率合成器主要产生载波信号。调制波信号可以用函数信号发生器产 生或者用压控振荡器。载波信号和调制信号分别输入模拟乘法器 MC1496 和变容二极管 调频电路。输出端信号经带通滤波器滤波后则可以得到满意的调幅信号和调频信号。 2.1.2 方案二基于 DDS 的 IQ 调制 FPGA 实现 方案二原理框图如图 2.2 所示： 图 2.2 方案二的原理框图 第 2 页
    西华大学毕业设计说明书 方案二主要由双 DDS 信号产生电路、单片机控制电路、FPGA 调幅电路、调幅电路和 D/A 转换电路组成。单片机控制电路主要对双 DDS 电路传输频率控制字。主 DDS 电路产 生载波信号，副 DDS 电路产生调制信号。载波信号和调制信号分别输入 FPGA 内部，FPGA 通过编程实现调幅和调频。由于 FPGA 处理的数据为数字信号，所以在 FPGA 的输出端外 接 D/A 转换器和带通滤波器则可以得到调幅信号和调频信号。 2.1.3 方案三基于 FPGA 的模拟调制实现 方案三原理框图如图 2.3 所示： 图 2.3 方案三的原理框图 方案三主要也由 DDS 信号产生电路、单片机控制电路、FPGA 调制波产生电路、FPGA 调幅电路、调频电路以及 D/A 转换电路和带通滤波器组成。单片机控制电路主要完成外 DDS 载波电路频率控制字输入和输入频率控制字到 FPGA 中调制波的产生。DDS 信号产生 电路主要产生载波信号，而调制信号由 FPGA 内部产生。调幅和调频实现主要由 FPGA 编 程实现。FPGA 输出的信号经过 D/A 转换器转换成模拟信号，再经过带通滤波器滤除杂波 后就可以得到调制信号。 2.2 方案论证 方案一：调制波信号可以利用RC、LC网络产生，一般采用三端式振荡器。利用成 熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来改变正弦 振荡的频率。载波信号由于频率较高可以采用数字锁相式频率合成器产生。 数字锁相式频率合成器是根据锁相环可以锁定外部参考频率上的特性设计实现的。 它利用一个或者多个高稳定度的基准频率，通过一定的变换处理后得到一系列离散的频 率信号。图 2.4 所示为单环锁相频率合成器的组成框图，由基准频率产生器和锁相环路 两部分组成。基准频率产生器提供稳定度和准确度很高的参考频率，锁相环路则利用其 良好的窄带跟踪特性，使输出频率保持在参考频率的稳定度上。变模频率合成器可以提 高输出频率。 第 3 页
    西华大学毕业设计说明书 图 2.4 单环锁相频率合成器的组成框图 由于调幅电路属于线性频谱搬移电路，所以无论产生哪一种调幅信号，都要用到 乘法器和滤波器电路。因乘法器是含有非线性器件的电路，所以采用模拟集成芯片 MC1496 加外围元件组成调幅电路。模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相 乘功能的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输 入信号相乘积成正比。MC1496 由两对差分放大器加恒流源等电路组成。通过调节调制信 号的幅度就可以线性地改变调制度。另外，还必须加入具有滤波功能的带通滤波器或者 LC 并联谐振回路等，以保证调幅电路输出较为纯净的调幅波。 调频电路的功能是使高频信号的频率受低频信号的调制或者影响，从而产生瞬时频 偏。为了达到直接调频的目的，在 LC 振荡器的谐振回路引入变容二极管这种可变电抗 元件，调制信号通过变容二极管的结电容进而影响到了谐振回路的谐振频率。变容二极 管与普通二极管的不同之处在于制造时不但不减少结电容反而增大结电容，以突出二极 管的电容效应。变容二极管一般工作在反偏状态，根据结电容与结电压的有关特点不难 发现电容的大小是受结电压控制的。谐振回路加入二极管后输出经过滤波后就可以得到 调频波信号。 方案二：调制信号和载波信号都由单片机控制 DDS 芯片产生。DDS 属于间接式频率 合成器，因为 DDS 输出频率并非直接由标准频率或者参考频率经过分频、倍频、混频直 接获得，而是由波形合成的方法间接得到 DDS 输出频率。 DDS正弦波合成由系统时钟、相位累加器、只读存储器（ROM）、数模转换器（D/A) 图 2.5 DDS 原理方框图 第 4 页
    西华大学毕业设计说明书 以及低通滤波器（LPF)组成（如图2.5）。DDS系统中的参考时钟通常由一个高稳定度的 晶体振荡器来产生，用来作为整个系统各个组成部分的同步时钟。在每一个参考时钟脉 冲输入的时, 相位累加器把频率字 K 累加一次，累加器的输出相应增加一个步长的相位 增量, 这样累加器把频率控制字的数据转换成相位增量, 由此可以看出，相位累加器的 输出数据实质上是以 K 为步长的线性递增序列（在相位累加器产生溢出以前），它反映 了合成信号的相位信息。一旦给定了相位增量, 输出合成频率的大小也就确定了。接着 将累加器的输出作为访问波形存储器的地址, 波形存储器输出相应地址的波形数据, 当用这样的数据寻址时, 正弦查找表就把存储在相位累加器中的抽样数字值转化成近 似正弦波幅度的数字量函数, 送到D/A转换器,D/A转换器将数字量形式的波形幅度值转 换成所要求合成频率的模拟量形式信号，从而将波形重新合成出来。低通平滑滤波器进 一步平滑近似正弦波的锯齿阶梯, 并衰减或者抑制不必要的抽样分量和其他杂散信号, 最后得到所需的正弦波信号。 IQ 调制是正交调制的一种，IQ 调制一般是指利用两个频率相同但相位相差 90°的 正弦波作为载波，同时传送两路互相独立的信号的一种调制方式。图 2-6 是具体的 IQ 调制器原理框图。根据图 2.6 可以得到它的时域表达式为： S(t)=I(t)cos(wct)+Q(t)sin(wct) (2-1) 调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。用单音信号进行调幅时，其 图 2.6 IQ 调制原理框图 数学表达式可以写为： S（t)=A(1+maUФ(t))cos(wct) (2-2) 其中，UФ(t)为调制信号，ma为调制指数它的范围在(0,1]之间。如要实现正交调制， 只要令： I (t)= A(1+maUФ(t)) Q (t) = 0 (2-3) 第 5 页
    西华大学毕业设计说明书 调频(FM)是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的一种调制方式，单音调频信号 的数学表达是可以写为： ( ) S t A  [cos( w t k U t dt ( )  c t   0 f )] ( ) S t 把上式展开并化简得：  k U t dt f 0 )cos )cos( cos( cos( ( )  w t c w t c  A A   t )  A sin( w t c )sin( t  k U t dt f ( )  0  A sin( w t c )sin  ) (2-4) (2-5) 式中wc为载波角频率， ( )U t 为调制信号， 制信号进行积分处理，然后对积分后的信号分别取正弦和余弦即可。因此在用IQ调制实 ，所以在实现调频时需要对调 0  kf U t dt ( )  t  现调频时只需令： ( ) I t ( ) Q t   cos sin   (2-6) 方案三：调制信号由 FPGA 基于 DDS 原理产生，载波信号由外 DDS 数字芯片产生。 图 2.7 为利用 DDS 技术由 FPGA 产生调制波信号的原理框图。主要由相位累加器、相位 调制器、波形存储器 ROM 和 D/A 转换器组成。其中 K 为频率控制字，P 为相位控制字， CLK 为参考时钟。N 为相位累加器的位数，M 为 ROM 数据位和 D/A 转换器的位数。调节频 率控制字 K 可以控制输出信号的频率，调节相位控制字 P 可以调整输出信号的开始相位。 图 2.7 FPGA 产生调制信号原理框图 Quartus软件为设计者提供了丰富的宏功能模块库，采用宏功能模块完成设计可以 极大提高设计的效率和可靠性。所以在设计中可以采用乘法器模块实现模拟乘法器的功 能。先调用乘法器模块实现调制信号与调制度相乘，输出信号再与载波信号相乘就可以 实现模拟调幅功能。只不过输出的信号为数字信号，必须经过D/A转换器将数字量形式 的波形幅度值转换成按要求合成频率的模拟量形式信号。模拟信号再经过带通平滑滤波 器滤除或者抑制不必要的信号分量就可以得到较为纯净的调幅波信号。具体的原理框图 如图2-8所示。 第 6 页
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料