FM调制的FPGA实现
一、前言
1.1. 平台
- Vivado 2017.4；
- Matlab 2016b；
1.2. 参数
- 载波频率：5M；
- 频率偏移：-75KHz ~ 75KHz；
- 系统时钟：100M；
- AD位宽：12位；
二、关于FM调制
[外链图片转存失败(img-IOpiIkja-1567782517390)(https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a4/Amfm3-en-de.gif)]
简单来说就是：幅度改变频率。
与之相对应的是AM：幅度改变幅度。
怎么理解呢？对FM来说：调制信号的幅度大小决定了已调信号的频率。当调制信号的幅度改变时，已调信号的频率也会随之改变，而且只有频率会改变，幅度是保持不变的。
这里对FM调制的理论部分不过多讲述，有兴趣的可以自行上网查阅。
三、FM调制的FPGA实现
一个完整的FM调制系统主要分为以下几个部分：
- AD模块
- FM调制模块
- DA模块
其中，AD模块将模拟调制信号转换成数字调制信号。调制信号可以通过信号发生器产生。在本工程中，将在FPGA内部通过DDS产生一个正弦信号来模拟AD采样数据。FM调制模块的功能就是将调制信号变成FM已调信号。已调信号通过DA模块变成模拟信号后就可以通过天线发送出去。
3.1. 产生调制信号
调制信号是用DDS产生正弦信号来模拟实现的。DDS的实现需要用到ROM IP核，在配置ROM IP核之前需要用Matlab生成IP核所需要的.coe文件。
- 生成.coe配置文件
Matlab代码部分参考本人之前的博客：
AM调制的FPGA实现
其中只需要把位宽（改成12）和文件生成路径作相应修改即可。
- 调用一个单口ROM IP核
关于IP核的配置如下
- 产生调制信号
整个工程的系统时钟为100MHz，这里假设调制信号是一个频率为500KHz的单频信号，换算成频率控制字的话为：
500K * 2^32 / 100M = 21474836
DDS代码如下：
module DDS_Mod(
input clk,
input rst_n,
output signed [11:0] sin //调制信号
);
//--------------------------------------------------------//
parameter Freq = 32'd21474836; //500kHz
parameter cnt_width = 8'd32;
//--------------------------------------------------------//
//--------------------------------------------------------//
reg [cnt_width-1:0]cnt_I = 0;
wire [9:0] addr_I;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
cnt_I <= 0;
end
else begin
cnt_I <= cnt_I + Freq;
end
end
assign addr_I = cnt_I[cnt_width-1:cnt_width-10];
//--------------------------------------------------------//
//--------------------调用一个单口ROM核--------------------//
Sin Sin_inst(
.clka (clk),
.addra (addr_I),
.douta (sin)
);
endmodule
3.2. FM调制模块
其实FM调制模块本质上也是一个DDS，区别就在于前者是一个频率可以按照一定规律变化的DDS。那么如何才能让频率不断变化呢？回到上面的代码中，有一个名为“Freq”的常量，这个常量的大小决定了DDS输出频率的大小。如果在这个常量后面再加上一个不断变化的值，那么这个DDS输出的就是一个频率不断变化的波形了。
在FM调制中，有两个比较重要的概念：中心频率和频偏。中心频率可以理解为只有“Freq”时的频率；频偏可以理解为当再加上一个变量后，输出频率大小与中心频率的差值。因此FM调制的关键就在于如何确定“Freq”这个常量后面再加上的这个变量的值。
本工程中中心频率为:5M，频偏为：-75KHz ~ 75KHz。当输入调制信号幅度为0时，输出的FM已调信号频率为5MHz，即载波频率；当输入调制信号幅度最大（即+211）时，输出的FM已调信号频率为5.075MHz(5M+75K)；当输入调制信号幅度最小（即-211）时，输出的FM已调信号频率为4.925MHz(5M-75K)。根据以上情况，可以通过调制信号的大小计算出此时输出频率的大小。总结如下表：
| 输入调制信号大小 | 对应的频率偏移 | 对应频偏的频率控制字 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 2^11 | 75k | 2^32 * 75k / 100M = 3221225 |
| X | Y | N |
上表中，X是已知量，只需要通过等式 N = x * 3221225 / 2^11 求出N的值即可。
- 乘法操作
乘法器IP核配置如下：
- 除法操作
除法操作可以调用除法器IP核来实现，也可以通过移位相加的方法实现。考虑到除数是2的整数次幂，因此只需要把乘法器输出的结果右移11位即可。
- DDS输出已调信号
这部分其实和上面的DDS实现方法类似，只是在频率控制字后面再加上频偏控制字即可。代码如下：
module FM_Mod(
input clk,
input rst_n,
input [11:0] adc_data,
output [11:0] FM_Mod
);
parameter Freq_I = 32'd214_748_365; //载波信号的频率5M，时钟100M
parameter Freq_Word = 32'd3_221_225; //频偏为75K
parameter cnt_width = 8'd32;
//-------------计算频偏控制字--------------//
wire signed [43:0] mult_data;
wire signed [31:0] Freq_Offset;
MULT MULT_inst(
.CLK (clk),
.A (adc_data),
.B (Freq_Word),
.P (mult_data)
);
assign Freq_Offset = mult_data[43:12]; //移位
//---------------------------------------//
reg [cnt_width-1:0]cnt_I;
wire [9:0] addr_I;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
cnt_I <= 0;
end
else begin
cnt_I <= cnt_I + Freq_I + Freq_Offset;
end
end
assign addr_I = cnt_I[cnt_width-1:cnt_width-10];
//----------------ROM核-----------------//
Sin Sin_inst(
.clka (clk),
.addra (addr_I),
.douta (FM_Mod)
);
endmodule
3.3. 顶层模块设计
顶层文件不过多介绍，代码如下：
module TOP(
input clk,
input rst_n,
output [11:0] FM_Mod_data
);
//----------------ADC-----------------//
wire [11:0] adc_data;
DDS_Mod DDS_Mod_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.sin (adc_data)
);
//------------------------------------//
//---------------FM调制----------------//
FM_Mod FM_Mod_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.adc_data (adc_data),
.FM_Mod (FM_Mod_data)
);
endmodule
3.4. TestBench
`timescale 1ns/1ps
module tb_TOP();
reg sclk;
reg rst_n;
wire [11:0] FM_Mod_data;
//---------系统时钟----------//
initial sclk = 1;
always #5 sclk = !sclk;
//---------复位---------//
initial begin
rst_n = 0;
#100
rst_n = 1;
end
//-----------------------//
TOP TOP_inst(
.clk (sclk),
.rst_n (rst_n),
.FM_Mod_data (FM_Mod_data)
);
//-----------------------//
endmodule
3.5. 仿真结果
运行仿真结果如下：
其实从仿真来看看不出什么明显的效果，是因为频偏相对于载频来说太小了，变化不明显。如果将频偏改成2MHz再仿真，结果如下：
从仿真结果来看输出波形存在着明显的频率变化，表明输出的是FM已调信号了。但这些都只是基于仿真来看的，至于输出信号是否正真满足指标要求，还得将已调信号通过DA输出到频谱仪上进行验证。
四、总结
FM调制在实现方式上还是比较简单的，但是可能需要一定的理解。以上的实现过程比较粗糙，只是从仿真层面去大致实现一个FM调制的效果，在实际应用中会有更加复杂的情况。另外，本人建议有条件的尽量在频谱仪上验证调制效果，对于指标严格的调制，普通示波器的频谱分析功能不一定能胜任。
另外，如有需要改进的地方，欢迎各位指出。