基于FPGA的AM调制系统

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  要:本系统由FPGA、串口屏、DAC模块和AD831组成。FPGA通过调用宏功能模块NCO,按照输入时钟50MHz,产生相应频率正弦信号输出,共产生两路,一路为调制信号,另一路为载波信号。根据AM调制的原理,调用宏功能模块LPM_MULT将调制信号和载波信号的数值相乘,得到AM调制信号,并能够对调制度进行调节。并系统采用AD831完成对于AM调制信号的上变频,本振信号由信号发生器产生。

关键词:AM,DDS,UART,FPGA

1. 设计方案工作原理

1.1 系统方案描述

本系统框图如图1.1所示,FPGA通过调用宏功能模块NCO,按照输入时钟50MHz,产生相应频率的调制信号、载波信号和AM调制信号数值,DAC模块根据控制字产生相应频率和幅值的信号。输出的AM调制信号接入AD831与高频率信号进行混频最终输出高频信号。串口屏通过串口与FPGA进行通信可以在一定范围内对调制信号的频率、载波频率和调制度进行调节。

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图1.1 系统框图

1.2 方案比较与选择

1.2.1 FPGA

方案1:使用高云的GW1NSR-LV4C型号的FPGA,其具有Cortex-M3的硬核处理器,共有4608个逻辑单元、3456个寄存器,乘法器的参数为16,Block SRAM有180K,用户闪存为256K,并有2个锁相环PLL,4个I/O Bank,用户I/O数为44。

方案2:使用EP4CE6系列的Cyclone IV EP4CE6F17C8N型号FPGA,其含256个管脚,6272个逻辑单元,采用BGA封装。采用低成本、低功耗的FPGA架构、6K到150K的逻辑单元、高达6.3Mb的嵌入式存储器、高达360个18×18乘法器,实现DSP处理密集型应用、协议桥接应用,实现小于1.5W的总功耗。

综合以上考虑,考虑到AM调制系统的需求和各项频率的需求,在尽、可能减少功耗的前提下,选择方案2。

1.2.2 DAC电路方案

方案1:使用ACM9767高速DAC模块,其为一款高性能高速双通道DAC模块,本模块具有单电源5V供电输入,双通道数字转模拟信号输出,每个通道数据分辨率为14位,输出电压范围为正负5V,且转换速率高达125Msps。

方案2:使用与FPGA开发板的AD和DA集成板,其采用THS5651A电路,能够产生规定频率的波形,并且稳定输出。具有精度高、电路简单、价格便宜的特点。

综合上述考虑,考虑到电路的复杂程度、结果的精确程度以及方案的价格等方面,选择方案2。

1.2.3 人机交互方案

方案1:使用数码管和按键作为人机交互,数码管显示调节的模式(调制信号、载波信号和调制深度),按键调节频率和调制度。

方案2:使用串口屏制作人机交换界面,制作一个主界面和三个子界面,三个子界面分别调节调制信号的频率、载波信号的频率和调制深度。

方案3:使用数码管和矩阵按键,数码管作为调节模式的显示,矩阵按键作为输入,输入相应的频率和调制深度。

综合以上考虑,为了方便快捷的调节频率、调制度,我们最终选择方案2。

2.核心部件电路设计

2.1 DAC电路

DAC电路,即数模转换电路。其采用THS5651A电路,完成数模转换。其通过R27和内部VREF设定的DAC输出差分电流是IOUTA = 0mA-5mA,IOUTB = 5mA-0mA(这里IOUTA和IOUTB是差分对),具体的输出电流值由输入DAC的码值DA_Data[9:0]确定。IOUTA和IOUTB通过外部运放电路转化为单端电压。

DAC电路如下图2.1所示。

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图2.1 DAC电路图

 2.2 AD831混频电路

AD831混频电路起到的是混频作用,将对FPGA产生的AM调制信号完成上变频。其能够完成将信号频率由一个量值转为另一个量值,常常用于产生中频信号。AD831由混频器、限幅放大器、低噪声输出放大器和偏置电路等组成,是一款集成的混频器,其本人和射频输入均可达到500MHz,中频输出方式由两种:差分电流输出和单端电压输出,在采用差分电流输出时,输出频率可达250MHz;在采用单端电压输出时,输出频率可达200MHz。

AD831电路如下图2.2所示。

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图2.2 AD831电路图

3.系统软件设计分析

3.1 主要模块程序设计

FPGA程序主要由四部分组成,分别为U0-串口接收模块、U1-频率调节模块、U3-波形选择模块和U4-DAC转换模块。U0-串口接收模块用于接收来自串口屏发出的频率和调制深度信息,然后将接收的信息传送到U1-频率调节模块,U1-频率调节模块进行处理生成三个相对应的控制字转送给U3-波形选择模块,同时U3-波形选择模块根据拨动按键来选择输出的波形,然后将波形产生数据传送给U4-DAC转换模块。

AM调制系统RTL图如图3.1所示。

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图3.1 系统RTL图

 3.2 关键模块程序清单

关键模块的程序原文件列表主要包含串口、波形选择、频率调节、DAC转换和顶层文件。

模块程序清单如图3.2所示。

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图3.2 程序清单图

 4.竞赛工作环境条件

4.1 设计分析软件环境

Windows 10;Quartus Ⅱ;Modelsim。

4.2 仪器设备硬件平台

示波器(RIGOL:DS2022A-EDU);信号发生器(RIGOL:DG4102);直流电源(RIGOL:DP832)。

4.3 测试条件

工作电源电压:±12V;

温度:室温;

气压:标压。

5.作品成效总结分析

5.1 系统测试性能指标

调制信号测试方案:输出信号为正弦波,频率为1KHz,观察示波器结果。

载波信号测试方案:输出信号为正弦波,频率为5MHz,观察示波器结果。

AM调制测试方案:输出信号为AM调制信号,观察示波器结果与波形。然后接入AD831模块射频输入端,并使用信号发生器产生25 MHz,100mv Vpp的正弦信号,接入AD831模块本振输入端,混频后得到30 MHz,并使用示波器的MATH功能的FFT来观察频谱。

自由设置调制信号测试方案:使用串口屏调节调制信号频率,观察示波器结果。

自由设置载波信号测试方案:使用串口屏调节载波信号频率,观察示波器结果。

调制度测试方案:使用串口屏调节调制深度,观察示波器结果,对其进行分析。

5.2 成效得失对比分析

5.2.1 调制信号测试结果

表5.1 调制信号测试结果表

波形

频率

谐波失真度

正弦波

1KHz

1.42%

5.2.2 载波信号测试结果

表5.2 载波信号测试结果表

波形

频率

谐波失真度

正弦波

5MHz

1.31%

5.2.3 AM调制测试结果

表5.3 AM调制测试结果表

是否调制

调制深度

是否上变频

上变频频率

0.5

30.02MHz

5.2.3 自由设置调制信号参数测试结果

使用串口屏进入调制信号参数测试界面,调节调制信号频率,观察示波器结构。其频率范围为1KHz-10KHz,分辨率为0.01KHz.以下为部分测试结果。

表5.4 调制信号频率测试结果表

理论信号

实际信号

1.00KHz

1.001KHz

1.05KHz

1.051KHz

1.50KHz

1.498KHz

2.00KHz

2.008KHz

3.50KHz

3.499KHz

5.00KHz

5.002KHz

10.00KHz

9.997KHz

5.2.4 自由设置载波信号参数测试结果

使用串口屏进入载波信号频率设置界面,调节载波信号频率,观察示波器结果。其范围为1M-10MHz,分辨率为0.01MHz。以下为部分测试结果。

表5.5 载波信号频率测试结果表

理论信号

实际信号

1.00MHz

1.002MHz

2.00MHz

2.006MHz

3.00MHz

2.988MHz

4.00MHz

3.989MHz

5.00MHz

5.008MHz

6.50MHz

6.503MHz

7.70MHz

7.705MHz

8.80MHz

8.796MHz

10.00MHz

10.004MHz

5.2.4 自由设置调制深度测试结果

使用串口屏进入调制深度设置界面,调节调制深度,观察示波器结果。步进为0.1。

以下为部分测试结果。

表5.6 调制深度测试结果表

理论值

实际值

0

0.001

0.1

0.107

0.2

0.180

0.3

0.280

0.4

0.390

0.5

0.450

0.6

0.580

0.7

0.670

0.8

0.790

0.9

0.875

1

0.998

5.3创新特色总结

系统电路系统简单,输出波形美观。结构清晰分明,采用正负12V供电,对电源要求低;此外,系统还具有以下3点优点:

  1. 利用宏功能模块NCO和LPM_MULT实现调制信号和载波信号以及AM调制信号的产生,精度高,速度快,远远超过题目所设定的要求。
  2. 具有混频的功能,精度高,可以将FPGA产生的射频信号进行上变频。
  3. 系统可以通过串口屏对系统进行交互和控制。系统可以对频率进行粗略调节和精细调节,可以实现超越题目要求的频率输出。

综上,系统完全实现了题目的要求,精度较高,并且在功能上加以拓展。性能十分优良。效果远超题目要求。


更新日志:

2023年7月5日——文章首次上传


资源下载:

CSDN:(22条消息) 基于FPGA的AM调制系统资源-CSDN文库

百度网盘:https://pan.baidu.com/s/1Ur-ZZSfTkvGNh3Q_XjY6NA?pwd=18at 
提取码:18at 文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-754171.html

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