通过FPGA实现2022电赛F题

        这是本人第一次参加电赛，非常有收获，虽然电赛已经结束，不过并不影响把我的思路整理出来和大家交流一下，同时也为自己做个笔记，这里简单介绍一下思路，就不讲解程序了。

        这次电赛的题目如下：

1.  设计思路

        首先，观察题目。三道题的要求基本相似。被测信号为电压峰峰值100mV，说明信号较小，如果AD模块的量化精度较小的话就需要一个放大模块将信号放大，然后送入FPGA板进行处理。

        信号的载波为10MHz，如果采用低通抽样定理的话，大概需要用100MHz的采样频率来进行采样，并作65536个点的fft变换，这数据很明显是不可能实现的。更别说我们的AD模块最大的频率才为32MHz。所以这里需要使用带通采样定理来实现，它的核心就是频谱搬移。我们使用60MHz的64分频来对10MHz的信号进行采样，实际上变成了900多KHz来采样300多KHz的信号，完全可行。然后对其做4096个点的fft变换，每个点的精度大约为228Hz，基本上也能完成要求。

        显示要求可以整理为显示信号的调制方式，调制度，以及最大频偏。为AM的时候，显示前两个，为FM的三个都显示，为单频的时候只显示第一个。至于怎么确定信号是什么调制方式，可以通过谱线的个数来确定，大家可以通过MATLAB进行仿真观察。（这里大家自己去仿真，我就长话短说了）。

        调制方式为AM的时候，会出现3根谱线。调制方式为FM的时候，会大于3根谱线，其调制度为1,2,3,4,5,6的时候，刚好有5,7,9,11,13,15根谱线，这里就会出现一个问题，就是只能解决FM的调频度为整数的情况，不为整数的情况我就不知道怎么处理了。

        但是啊！专家测的时候，感觉整数的没有问题，就非要测个小数，这里就把我给整无语了。

2.  fft处理与显示

        采用fft核对信号进行处理后，可以得到fft变换后的实部与虚部，将其平方后相加，就可以得到能量的平方。我们找到这些能量的峰值，即大于前一时刻的能量，同时也大于后一时刻的能量，就可以确定为一根有效谱线。但是，其底部肯定会出现一些干扰导致误判，这里就需要设计一个门限值来进行约束。

        门限值可以通过chipscope抓取fft变换后信号的能量来设计一个固定值，但是我并不推荐这样做，因为这样就会导致很多东西都不能调，就会导致一些无法解决的错误。所以，我们需要设计一个自适应的门限。

        在MATLAB上产生一个单频信号，采样点数为周期的倍数，对其做fft变换可以得到一个谱线，它的能量为幅度*采样点数/2，而采样点数就可以用来确定能量的截位。而采样点数是固定的，所以我们可以认为能量和幅度存在一定的线性关系。因此，在对信号进行AD采样的时候，还要提取它至少一个周期的幅值，这里将其记为A。由于我们FPGA里fft变换后得到的是能量的平方，所以要对A进行平方。门限就可以设置为(A[m:a]+c)* (A[m:b]+d)。其中，我将a和b称为大调，而c和d称为微调。通过chipscope抓取，对其进行调整，就可以得到一个比较适应的门限值。

        但是，上面针对的属于采样点数为周期的倍数的特殊情况，即能量没有分散，所以，我们在用它进行比较的时候，还要加上左右的能量进行补充，这样，基本上就完成了。(因为这里是我自己想到的，所以就详解一下，也不知道对不对，但是我们做出来的成品是没有问题的)。

        然后，调幅度需要通过能量来确定，所以这里需要提取前三根谱线的能量，当然，这里的能量是进行了补充的。还需要开平方的IP核，将这三根谱线的能量进行开方，然后，再由第一根谱线的能量加上第三根谱线的能量的和除以第二根谱线的能量，这样就得到了AM信号的调制度。

        而FM的调频度就不需要能量了，只需要知道它的位置。每两根相邻的谱线的距离反应的是它的基带频率，而第一根谱线与最后一根谱线的距离减去2倍基带频率的距离就可以反应它的最大频偏。两者相除就是它的调制度，而反应的最大频偏的参数乘以每个点的精度就可以得到它的最大频偏。然后显示出来就完成了。

        强调一下，这里有三个特殊情况，由于我们使用的是60MHz的64分频来完成的，在处理第三题的时候，15M，22.5M，30M这三个信号采样的时候，频偏搬移到了零点去了，就不能识别，所以这三个信号就不能用60MHz的64分频来采样。因此，我们设计为在60MHz的64分频来采样出来后，识别的不是am或者fm，就跑到75 MHz的64分频来采样，这时，识别的是什么信号就是什么信号。然后再转回60MHz的64分频就可以了。这样，就完美的完成了信号的识别了。

        需要注意的是，60MHz的64分频来采样的话只能输出am，和fm信号的标志，而单频的和其他的标志，就要转到75MHz的64分频来识别。如果你在60MHz的64分频采样输出了其他标志的话，就会导致在采15M，22.5M，30M这三个特殊的信号的时候，显示出现一会fm或者am，再出现一会其他的标志。

        我当时就是因为在60MHz的64分频采样输出了其他标志导致，专家要求看30MHz的fm信号出现了一会儿fm，一会儿单频。然后被认定为出错，而且专家之前也表示过不听解释，所以，这里也没有办法。

3.  输出波形方式

        输出解调的波形有两种方法，一种是解调，另一种不需要解调，直接输出。话说我当时怎么没想到第二种啊！人都傻了。这里先不多说了，直接介绍。

方法一：

        Am的解调方式比较简单，采样非相干解调就可以了，这里不需要知道载波，在识别信号的时候识别到am的标志，直接进行处理输出就可以了，网上有这个的实现方法，而且介绍的很详细，我这里就不多说了。

        FM采用的是正交解调的方式，这个就需要知道载波了，至于如何实现解调，这个网上也有，自己去网上查找，我这里就介绍一下这个载波。

        第三题的载频范围为10MHz~30MHz（频率步进间隔0.5MHz），在60MHz的64分频采样下，进行频谱搬移，可以得到8个值，将其设置为8个通道，其中15M，22.5M，30M比较特殊，将他放在0通道，进行单独处理。而其他的频率，则放在对应的通道，进行对应的处理就可以了。这样就实现了解调。

        由于第三题还要求识别单频信号，没有要求输出，所以我这里识别到单频直接输出，不做任何处理。但是，因为30M这个信号用60M的64分频来采是不行的，所以输出是乱的，而不是一个正弦信号，这是正常的。不过识别这里倒是没有问题，所以没有管它。在专家检检查的时候说我们单频信号怎么会输出波形，不应该是条直线吗？当时我就无语了，不应该是正弦信号吗？而且也没有说识别到单频不输出波形的啊！而且，专家之前有过表示不听解释，把我整得非常无语，弄得我当时都不知道说什么了，所以我就直接告诉他们波形单频的没要求，直接让他们看显示屏，也不知道最后他们判的结果是什么，反正非常无语。

方法二：

        这个方法就简单多了，而且也比较取巧，只要设置一个较好的fft核就可以了。处理的是am和fm信号。Fft变换后得到它的频谱，相邻两条峰的距离可以反应它的基带频率。这里就需要注意了，你解调输出的就是这个频率的信号，但是你这里都直接确定了，还解调啥啊！直接将不同的基带频率进行标记，然后再通过一个case语句选择，最后再使用一个dds核产生对应的正弦信号，输出即可。就这么简单，而且输出的波形非常非常稳定。

        我们采用方法一解调出的波形幅度有点变化，它的变化是放大和缩小的形式，但输出很稳，不过有点上下跳动，而且频率没有问题。不过这个专家非要说有问题，是错误的。我简直无语。

        话说，当时我怎么没想到方法二啊！明明我的队友都说了，如果能够直接用dds核产生就好了，现在想起来，我真的真的太傻了。而且我觉得专家就是想要看方法二的波形，因为这个稳定，而且不失真，就是比较糊弄，而且这样也不会输出单频信号，.........，不会他们真的想的是这样来进行输出的吧。

4.   大致流程图

方法一：

方法二：

5 总结

        这个题的核心在我看来就是频谱搬移，知道这些的话那么处理这道题还是比较明确的，而且 这个题给我的感觉就是专门用FPGA来进行处理的，如果你选择的不是FPGA，而是用模块堆出来的话，那简直就是厉害了，反正我是弄不来的。这个题没有把我给整无语，倒是这个这个专家把我给整无语了，只能说运气不好，同时，还需要努力，话说，我当时为什么没有想到方法二呢？