调幅信号发生器设计

1、湖南人文科技学院课程设计报告课程名称：VHDL语言与EDA课程设计设计题目： 调幅信号发生器设计 系 别： 通信与控制工程系 专 业： 电子信息工程 班 级： 2009级1班 学生姓名: 颜锐 李昌华 学 号: 09409143 09409124 起止日期: 2012年06月11日 2012年06月22日指导教师: 田汉平 岳舟 教研室主任： 侯海良 1指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日成绩评定项 目权重成绩颜锐李昌华1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3总 成 绩 教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学系审核意见： 主任签字： 年 月 日摘 要在通信系统中，调制解调方式常常决定了一个通信系统的性能，而幅度调制是一种应用很广的连续波调制方式。在实际电路的设计过程中，要设计一个幅度模拟调制电路（am电路）是相当复杂的，而且要修改其中的调幅指数也不方便。但随着现代电子技术的日趋成熟，采用Matlab/Simulink下建立相应的通信系统的数学模型，然后在FPGA中以全数字化方法实现系统中的关键模块是一种切实

2、有效的方法。Altera 公司推出的DSP Builder工具将系统数学模型的建立和通信系统开发结合起来，大大提高了通信系统的开发效率。文中首先分析了调幅信号发生器的数学表达式，然后根据其数学表达式，在matlab/simulink下建立相应的数学模型，然后利用DSP Builder模块库的SignalCompiler工具将此模型转换为VHDL语言，最后在QuartusII中对其进行编译直至下载到FPGA中，实现相应的电路。这种设计方法可以快速进行数字信号处理器的设计，而且又便于修改和扩充其功能，整个设计思路灵活，图形界面简单直观，开发周期短。关键词：数学模型，调幅信号，调制度，现场可编程门电路目 录1设计要求12前言13方案对比13.1方案一13.2方案二23.3方案选择44各功能模块分析44.1调制信号44.2多路选择器44.3载波信号44.4载波频率算法45调试过程55.1技术问题55.2现象记录56结论57元器件及仪器设备明细表68参考文献69致谢710、 附录710.1附录1710.2附录212调幅信号发生器设计1设计要求能将FPGA内部产生的低频信号进行调制，也能选择外部输

3、入的幅度小于4V的低频信号进行调制，输出信号的载波频率为100KHz。输出波形峰峰值大于2V。2前言目前的FPGA技术得到了极大的扩展, 资源容量和工作频率都有了很大的提高, 市场中XILINX 和ALTERA 公司的FPGA 芯片都是很好的选择。而且其都支持主流的硬件编程语言VHDL 和VERILOG。在FPGA 中, 相位累加器和相位调制器都可通过加法器来实现。如果要实现对幅度的调制则可在正弦查找表后插入一个乘法器来实现。在用FPGA 设计的过程中, 整个流程都采用系统时钟产生和控制, 所以其各个部分的时序和同步性需要认真对待,还有考虑到加法器以及乘法器等对资源的使用情况, 进位链或流水线技术都可以考虑进行利用。3方案对比3.1方案一利用单片机将模拟电路实现部分数字化,从而使硬件设计更为简单,图3-1 为简化结构框图。由外部接口、单片机、D/ A 转换器、数码显示和示波器组成。软件程序经编译后写到单片机CPU 中,将软件程序数据表中对应调幅波数字量由D/ A 转换器转换为模拟信号,频率值通过数码管来显示,也可在示波器上观察到实际的调幅波。图3-1图3-2 为信号发生器电路原理图,

4、主要有8051CPU、DAC0832、LM324、插座等外围电路组成,8051 外接12MHz 晶振和复位电路,以满足电路正常工作。J1 插座可接到面板上,外接相应的按钮来改变信号的幅度和频率,其中1、2 用于改变信号的幅度,3、4、5、6 用于改变信号的频率。J2 插座用来外界输出数码显示,VCC 是电源端,GND 是地端,电压范围为3.65 V。图3-23.2方案二调幅信号表达式为：F =Fdr*(1+Fam*m)(1.1)式中：F是调制后的输出信号，Fdr是载波信号，Fam是调制信号，m是调制度（0m1）。Fdr和Fam都是有符号函数。图3-3为调幅信号发生器的总体框图。图3-3根据幅度调制信号调幅原理，可以在Matlab/Simulink 下利用DSP Builder 来建立幅度调制信号模型。可以在Matlab/Simulink 作出图3-4所示的电路模型。其中ADDER、Dly、Bus、BusConversion、LMT 构成一个DDS 模块,产生调制信号。进入乘法器Product的a 端；进入b 端的是Mux的输出，这是一个8 选1 的多路选择器，对预设好的8个调制度数据进

5、行选择，这里设置的调制度分别从0.9 到0.1 共8 个调制度值，选通信号由SL输入。ADDER2 将乘积（乘积项取高8 位整数）与128相加。由于是8位乘积，故128类似于1.1 式中的1。和进入第2 个乘法器Product1的a端。元件ADDER1、Dly1、BusConversion1、Bus1、LUT1构成另一个DDS 模块，产生载波信号。进入乘法器Product1的b 端，即得到调幅模拟信号，然后将此调幅模拟信号经10位DAC转换后输出,即得到模拟调幅模拟信号。Cst1 输入的数据控制调制信号频率；Cst2 输入的数据控制载波信号频率；SL1的数据控制调制度；SL2选择内外信号调制。 图3-43.3方案选择方案一和方案二都将模拟电路实现部分数字化，使设计更加简单。但是方案二比方案一更简便，设计周期更短。所以选择方案二。4各功能模块分析4.1调制信号其中ADDER、Dly、Bus、BusConversion、LMT 构成一个DDS 模块,产生调制信号。ADDER并行加法器把Bus会送我数据进行加法计算，Dly延时为了便于Bus回送数据，ADDER、Dly、Bus模块构成相位累加

6、器。BusConversion选择16位数据的高8位，LUT正弦查找表，为输出正弦信号。4.2多路选择器Mux是8选1的多路选择器，对预设好的8个调制度数据进行选择，这里设置的调制度分别从0.9到0.1 共8个调制度值，选通信号由SL输入。4.3载波信号元件ADDER1、Dly1、BusConversion1、Bus1、LUT1构成另一个DDS 模块，产生载波信号。原理同调制信号模块。4.4载波频率算法算法公式：Fout=（M/2n）*FclkM=(Fout/Fclk)*(2n)载波信号为100KHz。BusConversion取高10位，时钟频率为1.5MHz计算得Cst2的数值为5726623065调试过程5.1技术问题在输出的时候会锁定D/A的引脚，导出引脚的时候只有10位输入的数据引脚而没有DACLK的引脚，导致无法进行D/A转化，从而看不到现象。解决办法是：在转化的VHDL总程序上修改程序，实体部分定义D/A的输入端口，在结构体把clk的值赋给DACLK。在进行编译下载，锁定引脚就可以进行转化。5.2现象记录图5-1是在不同调制度的仿真波形，由此可以看出，所设计的模型可以满足

7、要求。图5-1在FPGA 器件中实现AM 信号打开 Quartus II 环境，定位到AM 模型所在的目录，打开DSP Builder 建立的QuartusII 项目文件：am.qpf。在Quartus II 中进行仿真，然后指定器件管脚、进行编译、最后下载到FPGA 器件中，就可以对硬件进行测试，加上CLCOK 信号和基带信号，用示波器检测D/A（DA5651）的输出。将所有控制信号设为有效，就可以在示波器上看到产生的AM 信号了。通过示波器我们得到了理想的AM 信号。需要调节其调制度时，仅修改相应的按键就可以实现，这样不仅避免了繁所的VHDL 语言编程，而且便于进行调整。6结论由上面的设计可以看出根据信号的数学表达式，采用MATLAB/DSP Bulider 建立其数学模型，再在Quartus II 中进行编译，最后下载到目标器件这种方法实现AM 信号调制的方法，可以快速进行数字信号处理器的设计，甚至不需要设计者十分了解FPGA 本身和VHDL 语言，既避免了VHDL 编程的复杂性，而且又便于修改和扩充其功能，达到需要的调制信号，整个设计思路灵活，图形界面简单直观，开发周期短。另外

8、，借助Matlab 的仿真功能可以方便地查看设计结果，因此它是一种简单有效的设计方法。将AM 信号发生器的设计嵌入到FPGA 芯片所构成的系统中，其系统成本并不会增加多少，而购买专用芯片的价格则是前者的很多倍。所以采用FPGA 设计AM 信号调制具有很高的性价比。本文设计的创新点在于根据设计电路的数学表达式，在 Matlab/Simulink 下建立相应的数学模型，然后利用DSP Builder 模块中SignalCompiler 工具，将其转为VHDL 语言，最后在Quartus II 中进行编译，最后下载到目标器件实现所需要的电路。这种根据数学模型设计电路的方法极大地简化了硬件实现流程, 同时提供了系统仿真测试功能, 使利用FPGA 设计并实现数字信号处理器的设计更加灵活, 更容易开发。7元器件及仪器设备明细表名称型号/参数数量备注EDA/SPOSC实验开发系统GW48-PK21套计算机联想1台Quartus II6.0版1套MATLAB7.0版1套DSP Builder6.0版1套示波器ADS7022S1台8参考文献1 潘松，黄继业，王国栋现代DSP 技术M西安电子科技大学出版社，2003 年，P213-P2192 潘松，黄继业EDA 技术与VHDL（第3版）M清华大学出版社，2011年，P350-3513 石伟,宋跃,李琳基于FPGA 的DDS 调频信号的研究与实现J 微计算机信息,2005,5:179-1804 赖昭胜,管立新基于Dsp Builder 的DDS 实现及其应用J 微计算机信息, 2006年第22 卷第11-2期5马涛, 陈娟, 单洪基于DSPBuilder的数字下变频器的FPGA设计J 电子技术应用2

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