1、南京理工大學電類綜合實驗報作者:日期:電類綜合實驗實驗報告（數(shù)字FM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計）姓 名：金威學 號：115110001089學院名稱：自動化學院指導(dǎo)老師：薛文劉光祖2016年6月一、實驗名稱數(shù)字FM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計二、實驗?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)及開發(fā)的一般流程；3、掌握Quartus U軟件的基本使用。三、實驗內(nèi)容基于FPGA開發(fā)板(DE2-115)和AD/DA板(THDB-ADA )設(shè)計一個數(shù)字式FM調(diào)制解調(diào)器，并要求測試調(diào)制解調(diào)器的功能和解調(diào)性能：1、 按照FM調(diào)制的實現(xiàn)框圖，設(shè)計一個FM數(shù)字調(diào)制器，完成對設(shè)定波形的FM 數(shù)字調(diào)制。并驗證調(diào)

2、制信號的正確性。2、 按照FM解調(diào)的實現(xiàn)框圖，選擇合理方案設(shè)計一個FM數(shù)字解調(diào)器，完成對 輸入已調(diào)信號的FM數(shù)字解調(diào)，并驗證其功能及性能。四、實驗要求1、基本要求(1) 要求調(diào)制信號為正弦波，調(diào)制信號頻率為100kHz，最大頻偏為100kHz, 載波頻率為3MHz。(2) 輸入已調(diào)載波信號峰峰值幅度不超過 1V，調(diào)制信號頻率不大于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信號的數(shù)學表達式FM是一種以載波的瞬時頻率變化來表示信息的調(diào)制方式，其載波的頻率跟 隨輸入信號的幅度直接成等比例變化，其數(shù)學表達式如下：若調(diào)制信號為Xm(t)，其振幅|Xm(t)蘭1，載波信號為

3、Xc(t)二 Acos(2二 fct)(1)1其中A為振幅，fc為載波中心頻率，則已調(diào)信號為tXcm(t) = Acos(2兀 fct +2兀 J°AfXmdi)其中為最大頻偏，表示相對于載波的最大頻率偏離量。2、FM調(diào)制信號的時域及頻域波形圖圖1已調(diào)信號時域波形圖11.逹0道c|A|f圖2 FM已調(diào)信號幅度譜2、實現(xiàn)FM信號調(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信號的瞬 時頻率與調(diào)制信號幅度程線性關(guān)系這一特征， 可將調(diào)制信號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)制信號電壓的控制， 這樣壓控振蕩器的中 心頻率就是已調(diào)信號的中心頻率，

4、而信號的瞬時頻率恰好由調(diào)制信號的電壓幅度決定，這種方式是最直接的頻率調(diào)制實現(xiàn)方式。所謂間接調(diào)頻指的是，先對調(diào)制信號進行積分后得到瞬，然后利用得到的瞬 時頻率對載波信號的相位進行調(diào)制。因此間接調(diào)頻的實現(xiàn)方法實際上就是先積分 再調(diào)相。3、實現(xiàn)FM信號解調(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，再對相位信息求導(dǎo)即可得到調(diào)制信號，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)載波中的瞬時頻率提取出來， 鑒頻方法 主要有兩種，一種是將 FM信號經(jīng)過頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)換成調(diào)頻-調(diào)幅波，再經(jīng) 過調(diào)幅解調(diào)得到調(diào)制信號。另

5、一種是將 FM信號經(jīng)過頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成調(diào)頻- 調(diào)相波，再經(jīng)過鑒相器得到調(diào)制信號。4、FM調(diào)制的數(shù)字實現(xiàn)方案FM調(diào)制的數(shù)字實現(xiàn)最直接的方法就是利用 DDS技術(shù)。DDS是通過控制相 位累加器的累加增量值來改變相位累加器的循環(huán)頻率。 再通過相位累加器對波形 表進行查表得到所需頻率的輸出信號。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 際上是統(tǒng)一的，因為DDS實現(xiàn)過程中的相位累加器實際上可以看作是一個積分 器，而相位累加器的輸出實際上就代表了信號的瞬時相位。5、數(shù)字FM實現(xiàn)的改進方案

6、由于FM是一種非線性調(diào)制，因此已調(diào)信號的頻譜寬度會大大展寬， 而在實 際應(yīng)用中很多時候通信信道都是帶限的， 為了防止不同頻道之間的干擾，對信號 的邊帶抑制都有嚴格規(guī)定，而上述調(diào)制的實現(xiàn)方案實際上并沒有考慮邊帶抑制的 問題。根據(jù)對FM信號的數(shù)學表達式的分析在最簡單的單音調(diào)制下，已調(diào)信號的 邊頻分量理論上是無限多的，其幅度按照貝塞爾函數(shù)的規(guī)律下降的， 因此不能有效進行邊帶抑制。為了有效的進行邊帶抑制可以采用如下改進結(jié)構(gòu):圖4改進結(jié)構(gòu)的FM數(shù)字調(diào)制實現(xiàn)框圖6 FM的數(shù)字解調(diào)實現(xiàn)方案FM的數(shù)字解調(diào)可以采用鑒相法。接收信號先經(jīng)過正交下變頻變?yōu)榱阒蓄l信 號，然后根據(jù)調(diào)制信號帶寬進行適當倍數(shù)抽取以降低運算量

7、。正交解調(diào)得到的零中頻信號可以計算出接收信號的瞬時相位，再通過對瞬時相位進行差分得到最后 的解調(diào)信號。圖5 FM數(shù)字解調(diào)實現(xiàn)框圖實現(xiàn)過程中的正交下變頻以及抽取、差分等運算都是數(shù)字信號處理中的常見 算法比較容易實現(xiàn)，實現(xiàn)比較困難的是求相位運算，這一步運算包含了除法以及 反正切運算，運算量較大。實現(xiàn)的方法一般有兩種，一種是查表法，查表法在精 度要求較高時需要很大的數(shù)據(jù)存儲量。另一種方法是利用Cordie算法來求解，由于Cordie算法的核心思想是通過迭代運算來逼近所求的非線性函數(shù)的函數(shù)值， 因此高精度的運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 足較高吞吐率的運算。具體方法的選擇需

8、要考慮實際情況來決定。六、實驗步驟將設(shè)計好的FM調(diào)制器代碼下載到演示板，調(diào)制信號由 FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，設(shè)3置調(diào)參數(shù)，包括載波頻率，調(diào)制信號頻率，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)計好的FM解調(diào)器代碼下載到演示板，利用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生已調(diào)的 FM調(diào)制信號，并設(shè)定好各項參數(shù)。用示波器觀察 DAC輸出端的解調(diào)時域波形, 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

9、工作參數(shù)并通過觀察記錄輸 出波形驗證參數(shù)改變的正確性。七、實驗結(jié)果FM調(diào)制信號蠱jagaE叩工旅 惋竝FM調(diào)制信號Signal Tap截圖FM調(diào)制信號示波器時域波形圖5F M調(diào)制信號示波器頻域波形圖imsras 19J7±fZ Rip*AliuHwniS Mt 4+ D*CJHStlii *D_u 1 IW_m_hin® *-nirr. *n_Ul關(guān) *_n iS *K_Dfl+ ACKjft&*. -K_uI frJ_4_ riwl_"_址>8匕 *n_Ui rn2_*H_ai3pU_iUMXil _EAUf 1FTT hFTTvry 1V*RrT

10、T T 1丨 盤丄ALJL A. >L一1 A AjFM解調(diào)信號Signal Tap截圖FM解調(diào)信號示波器時域波形71位寬的選擇在FM解調(diào)過程中，在進行采樣信號的正交下變頻時，進行的是14位數(shù)的乘法運算，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 對數(shù)據(jù)進行截位操作。但是對截位的選取需要慎重考慮， 若高位保留過多，可能 造成重復(fù)的符號位，導(dǎo)致實際輸出信號賦值很??；若保留過少，可能造成符號位 丟失，輸出數(shù)據(jù)錯誤。一般應(yīng)借助 Sig nal Tap工具抓取數(shù)據(jù)后進行分析，取無變 化的最高位處進行截取，向后截取 14位。2.偏移碼與補碼數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)計算是以補碼的形式存在，而在 ADC和DAC中是以偏移 碼的形式存在，所以在進行AD/DA操作的時候應(yīng)注