基于FPGA和DDS技術的軟件無線電可控數(shù)字調(diào)制器的設計

引言

　　軟件無線電是在無線通信領域提出的一種新的通信系統(tǒng)體系結構，其核心思想是以開放性、標準化、模塊化的硬件為通用平臺，通過在平臺加載不同軟件來實現(xiàn)對工作頻段、調(diào)制解調(diào)、信道多址方式等無線功能的靈活配置。而調(diào)制解調(diào)技術是軟件無線電的主要組成部分。直接數(shù)字合成技術(DDS)具有較高的頻率分辨率，可實現(xiàn)快速的頻率切換，能夠保持相位的連續(xù)性，很容易實現(xiàn)幅度、頻率和相位的數(shù)控調(diào)制。目前，軟件無線電調(diào)制技術多采用具有調(diào)制功能的專用芯片或可編程器件和專用芯片相結合的方法實現(xiàn)，靈活性并不是很強。

　　基于此，本系統(tǒng)在分析數(shù)字調(diào)制技術和DDS原理的基礎上，詳述了一種基于FPGA的DSP技術和DDS技術的適合于軟件無線電使用的可控數(shù)字調(diào)制器的設計過程，并在系統(tǒng)中進行了功能驗證。此調(diào)制器以FPGA硬件平臺為核心，可實現(xiàn)ASK，F(xiàn)SK，PSK，QAM等調(diào)制方式，靈活性強。

　　1 數(shù)字調(diào)制和DDS基本概述

　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使數(shù)字信號能在帶限信道中傳輸，就必須將編碼后的信號進行數(shù)字調(diào)制。在此，主要分析和實現(xiàn)二進制單極性不歸零碼的鍵控調(diào)制。常見的二進制調(diào)制方式有ASK，F(xiàn)SK，PSK，QAM等。

　　直接數(shù)字合成(DDS)器具有數(shù)控頻率合成的功能，它以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位和幅度可控的正弦波，電路主要由相位累加器、相位調(diào)制器、正弦ROM查找表、系統(tǒng)時鐘、D/A、LPF等組成。本文中用DDS產(chǎn)生的正弦波作為載波，具有精確、靈活、便于集成等優(yōu)點。DDS原理基本結構圖如圖1所示。

使用DDS結構易實現(xiàn)頻率調(diào)制、相位調(diào)制和幅度調(diào)制，以DDS作為載波信號發(fā)生部分，具有頻率穩(wěn)定度高，頻率轉換速度快，輸出帶寬寬，頻率分辨率高等特點。

　　2 基于FPGA的調(diào)制器的具體設計

　　該設計借助QuartusⅡ7.2和Matlab/DSP Builder 7.2開發(fā)環(huán)境，在FPGA硬件平臺上實現(xiàn)，最大限度的實現(xiàn)了集成化。圖2是該設計的FPGA系統(tǒng)原理框圖，數(shù)字功能模塊全部集成在一片F(xiàn)PGA上，實現(xiàn)了SoPC的設計思想。

該設計由按鍵輸入、二進制基帶信號產(chǎn)生、數(shù)字調(diào)制和顯示等模塊組成，其功能是由按鍵輸入設定值，同時在LED上進行顯示，并根據(jù)設定值對二進制基帶信號進行相應的數(shù)字調(diào)制，產(chǎn)生調(diào)制信號輸出。現(xiàn)將各模塊的具體設計和功能描述如下：

　　按鍵輸入模塊 輸入采用按鍵和撥碼開關實現(xiàn)，通過復用的方式用于選擇調(diào)制方式，輸入信號頻率和幅度。在FPGA內(nèi)部設計了一個按鍵接口模塊，用于處理和存儲輸入的設定值，輸出到LED顯示，并輸出相應的控制信號和調(diào)制模塊所需的載波頻率和幅度控制字等。

　　二進制基帶信號產(chǎn)生模塊 該設計中的基帶信號由一個基于DDS的矩形脈沖發(fā)生器和偽隨機序列M序列發(fā)生器產(chǎn)生。碼元速率可通過按鍵模塊輸入頻率字到矩形脈沖發(fā)生器控制輸出脈沖頻率，從而控制M序列輸出頻率來實現(xiàn)。當然，作為調(diào)制器，二進制數(shù)字基帶信號是由外部輸入的。本模塊是為了驗證系統(tǒng)功能和需要滿足系統(tǒng)產(chǎn)生單純的數(shù)字調(diào)制信號時而設計的，具體見系統(tǒng)原理圖中juxing_signal和m_array_exa-mple模塊。

　　數(shù)字調(diào)制模塊 數(shù)字調(diào)制模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，包括ASK，F(xiàn)SK，PSK和QAM等數(shù)字調(diào)制方式。本模塊以DDS為核心模型，采用Quart-usⅡ7.2和Matlab/DSP Builder7.2進行硬件的軟件化設計，具體見系統(tǒng)原理圖中tiaozhi_example，QAM_tiaozhi_example和BUSMAX模塊。系統(tǒng)主要由時鐘和復位輸入端(CLOCK和SW[0])、調(diào)制方式選擇輸入端(SW[1]，SW[2]和SW[3])、基帶信號輸入端(jidai_signal，jidai_sign-all，jidai_signal2)和頻率幅度字輸入端(freql[31..O]，freq2[31..O]，freq4[31..0]和amp[17..O])組成。頻率和幅度字由按鍵輸入實際頻率和幅度值經(jīng)過按鍵接口模塊處理后，轉化為32位頻率字和18位幅度字，從而控制模塊產(chǎn)生所需頻率和幅度的載波信號?；鶐盘栞斎攵私邮毡徽{(diào)制信號，被調(diào)制信號根據(jù)所選擇的調(diào)制方式在模塊內(nèi)部進行相應調(diào)制后輸出到模塊輸出端。

　　3 系統(tǒng)仿真和硬件實現(xiàn)與測試

　　在進行系統(tǒng)各模塊設計的時候，為了防止在設計最后集成系統(tǒng)的時候出現(xiàn)功能錯誤，難于排查和修改，在設計過程中對各模塊的功能正確性都進行了軟件仿真。

　　系統(tǒng)中的ASK，F(xiàn)SK，PSK和QAM波形仿真依次如圖3和圖4所示。



在確保各模塊在獨立狀態(tài)下均能正確工作后，在QuartusⅡ7.2中進行系統(tǒng)集成，并對集成后的系統(tǒng)進行再次的整體仿真。接著，便可以進行功能測試。在功能測試中使用嵌入式邏輯分析儀SignalTapⅡ進行測試分析。在分析儀中進行相應的設置后，把它隨設計文件一起下載入目標芯片中，用以捕捉芯片內(nèi)部信號節(jié)點處的信號，并通過USB接口把數(shù)據(jù)傳回計算機，并顯示。以下是具體的測試過程，選擇相應功能控制開關，用按鍵輸入所需的載波頻率值和幅度值，通過LED顯示出來。相應的測試波形如圖5所示。

2ASK功能測試(SW[1]=0，SW[2]=O，SW[3]=O)：載波頻率由freql輸入設置，當基帶碼元為高電平1時，輸出正弦信號;當為低電平0時，輸出一個常數(shù)值，從而實現(xiàn)2ASK調(diào)制。

　　2FSK功能測試(SW[1]=O，SW[2]=1，SW[3]=1)：載波信號頻率由freql和freq2輸入設置，當基帶信號碼元為高電平1時，輸出頻率為freql正弦波信號;當為低電平0時，輸出頻率為freq2正弦波信號，從而實現(xiàn)了2FSK調(diào)制。

　　2PSK功能測試(SW[1]=0，SW[2]=O，SW[3]=1)：載波信號頻率由freql輸入設置，但同時控制了正弦查找表和余弦查找表，當基帶信號碼元為高電平1時，控制正弦表輸出正弦波信號;當為低電平0時，輸出余弦波信號，從而實現(xiàn)了2PSK調(diào)制。

　　QAM功能測試(SW[1]=1，SW[2]=1，SW[3]=0)：載波信號頻率由freq3輸入設置，同時控制了正弦查找表和余弦查找表，兩查找表信號相互正交，兩路基帶信號碼元分別乘上正余弦查找表輸出信號，然后將輸出信號進行疊加，從而實現(xiàn)了QAM調(diào)制。

　　4 結語

　　該設計完全在一片F(xiàn)PGA芯片上完成，減少了硬件的搭構，具有很高的集成度。采用DDS技術為核心，使載波信號獲得了較高的性能。借助強大的開發(fā)工具和FPGA的可重復編程及動態(tài)重構特性，使設計更具靈活性和通用性。系統(tǒng)設計了按鍵輸入和處理模塊，能根據(jù)需要變更載波頻率，并通過LED直觀顯示出來。重點對調(diào)制模型進行了設計，并進行了系統(tǒng)級仿真和最后的硬件功能測試，達到了設計的具體要求。