1、-. z. . .可修編. . MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Chapter 1 Section 1 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ MTChap r 1 h * MERGEFORMAT 電類綜合實驗實驗報告數字FM調制解調器的設計*：金威*： 9 學院名稱：自動化學院指導教師：薛文*光祖2016年6月-. z.一、實驗名稱數字FM調制解調器的設計二、實驗目的1、理解FM數字調制解調的根本原理；2、掌握FPGA的根本構造及開發的一般流程；3、掌握

2、Quartus 軟件的根本使用。三、實驗內容基于FPGA開發板DE2-115和AD/DA板THDB-ADA設計一個數字式FM調制解調器，并要求測試調制解調器的功能和解調性能：1、按照FM調制的實現框圖，設計一個FM數字調制器，完成對設定波形的FM數字調制。并驗證調制信號的正確性。2、按照FM解調的實現框圖，選擇合理方案設計一個FM數字解調器，完成對輸入已調信號的FM數字解調，并驗證其功能及性能。四、實驗要求1、根本要求1要求調制信號為正弦波，調制信號頻率為100kHz，最大頻偏為100kHz，載波頻率為3MHz。2輸入已調載波信號峰峰值幅度不超過1V，調制信號頻率不大于50kHz，載波頻率為3

3、MHz的正弦波。五、FM調制解調根本原理1、FM信號的數學表達式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，其數學表達式如下：假設調制信號為，其振幅，載波信號為 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 1)其中A為振幅，為載波中心頻率，則已調信號為 MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SE

4、Q MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 2)其中為最大頻偏，表示相對于載波的最大頻率偏離量。2、FM調制信號的時域及頻域波形圖圖 SEQ 圖 * ARABIC 1已調信號時域波形圖圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 FM已調信號幅度譜2、實現FM信號調制的兩種方式有兩種方法分別是直接調頻和間接調頻。直接調頻就是，根據FM信號的瞬時頻率與調制信號幅度程線性關系這一特征，可將調制信號的電壓作為壓控振蕩器的控制電壓，使其輸出頻率直承受調制信號電壓的控制，這樣壓控振蕩器的中心頻率就是已調信號的中心頻率，而信號的瞬時頻率恰好由調制信號的電壓幅度決定，這種方式是最直接的頻率調制

5、實現方式。所謂間接調頻指的是，先對調制信號進展積分后得到瞬，然后利用得到的瞬時頻率對載波信號的相位進展調制。因此間接調頻的實現方法實際上就是先積分再調相。3、實現FM信號解調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載波中的相位信息提取出來，再對相位信息求導即可得到調制信號，鑒相的方法可以鑒相的方法可以是模擬的也可以是數字的。鑒頻法指的是利用鑒頻器直接將已調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信號經過頻幅轉換網絡，轉換成調頻-調幅波，再經過調幅解調得到調制信號。另一種是將FM信號經過頻相轉換網絡轉換成調頻-調相波，再經過鑒相器得到調制信號。4、FM調

6、制的數字實現方案FM調制的數字實現最直接的方法就是利用DDS技術。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頻率。再通過相位累加器對波形表進展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 SEQ 圖 * ARABIC 3 DDS實現的FM調制框圖基于DDS的根本原理，模擬調制方法中的直接法和間接法在DDS技術中實際上是統一的，因為DDS實現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、數字FM實現的改良方案由于FM是一種非線性調制，因此已調信號的頻譜寬度會大大展寬，而在實際應用中很

7、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定，而上述調制的實現方案實際上并沒有考慮邊帶抑制的問題。根據對FM信號的數學表達式的分析在最簡單的單音調制下，已調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的規律下降的，因此不能有效進展邊帶抑制。為了有效的進展邊帶抑制可以采用如下改良構造：圖 SEQ 圖 * ARABIC 4改良構造的FM數字調制實現框圖6、FM的數字解調實現方案FM的數字解調可以采用鑒相法。接收信號先經過正交下變頻變為零中頻信號，然后根據調制信號帶寬進展適當倍數抽取以降低運算量。正交解調得到的零中頻信號可以計算出接收信號的瞬時相位，再通

8、過對瞬時相位進展差分得到最后的解調信號。圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 FM數字解調實現框圖實現過程中的正交下變頻以及抽取、差分等運算都是數字信號處理中的常見算法比擬容易實現，實現比擬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據存儲量。另一種方法是利用Cordic算法來求解，由于Cordic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的函數值，因此高精度的運算需要較多的迭代次數。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。具體方法的選擇需要考慮實際情況來決定。六、實驗步驟將設計

9、好的FM調制器代碼下載到演示板，調制信號由FPGA內部產生，設置調參數，包括載波頻率，調制信號頻率，調制波形及最大頻偏。用示波器觀察DAC輸出的已調載波的時域波形，并利用Signal_tap盡可能多的記錄送給DAC的數據，并繪出頻譜圖。將設計好的FM解調器代碼下載到演示板，利用函數信號發生器產生已調的FM調制信號，并設定好各項參數。用示波器觀察DAC輸出端的解調時域波形，并利用Signal_tap記錄送給DAC的數據，并繪出頻譜圖。逐步減小輸入波形幅度，觀察解調結果，找出解調器工作的門限電平并記錄。利用按鍵或者通信接口改變調制器和解調器的工作參數并通過觀察記錄輸出波形驗證參數改變的正確性。七、

10、實驗結果FM調制信號FM調制信號Signal Tap截圖 FM調制信號示波器時域波形圖FM調制信號示波器頻域波形圖FM解調信號Signal Tap截圖FM解調信號示波器時域波形1.位寬的選擇在FM解調過程中，在進展采樣信號的正交下變頻時，進展的是14位數的乘法運算，所得結果位寬應為28位。而最終的DAC輸出只有14位，所以需要對數據進展截位操作。但是對截位的選取需要慎重考慮，假設高位保存過多，可能造成重復的符號位，導致實際輸出信號賦值很小；假設保存過少，可能造成符號位喪失，輸出數據錯誤。一般應借助Signal Tap工具抓取數據后進展分析，取無變化的最高位處進展截取，向后截取14位。2.偏移碼與補碼數據在FPGA內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，所以在進展AD/DA操作