ZYNQ实验---IQ调制实现SSB PART1

参考文献

1. 软件无线电 多模式调制解调

2. HDL Digital Up-Converter (DUC)

3. 复信号与IQ调制

4. HackRFOne

5. TI超外差接收与零中频接收

一、基本理论

  软件无线电中，各种调制信号都是用一种通用数字信号来实现的。采用复数IQ信号结合DAC芯片的实现各种调制。理论上，各种信号都可以用正交调制的方法实现。

IQ调制公式如下

调制信号的信息都包括()和()内，可以对上式子进行数字化处理

IQ调制(复数形式)实现可以表示为以下形式

SSB调制

载波5MHz，调制信号1kHz的SSB信号频域图

二、实验介绍

实验平台

硬件平台：ZYNQ 7020, HackRF One
软件平台：Matlab 2021b，Vivado2018.3，VS2022

实验设计

根据第一部分的理论介绍，实验目标为设计实现通用数字调制器。本文以SSB调制为例详细描述实验过程。
整体设计包含3部分结构：PC端数据处理，PL端数据转发即控制，PS端的上变频与调制。

1、PC端数据处理

PC将读取到的调制信号转化统一定点数格式的IQ信号(解析信号形式)，并将其存入到PL端中。

2、PS端数据转发

实现对DUC发送通道的控制，通过PS实现PC与PL的数据交互。

3、PL端数据处理

读取PS端并将数据从存储模式转换为流模式(DAC是数据输入是流模式)，通过CIC以及FIR滤波器后实现数字上变频，变频后的信号与载波相乘取实部发送至DAC实现整个调制。实验的重点PL端DUC发送通道的设计实现

三、实验实现

  DUC的实现使用Simulink HDL设计Simulink HDL设计提供了一种图形化、高级和快速的方式来进行硬件系统设计和开发。它可以大大加速设计过程并降低错误的风险，同时提供灵活性和可重用性。
Simulink HDL使用介绍可以参考我写的文章，后续还会再其他文章中对这部分进行补充。

DUC整体设计方案

Simulink中为方便仿真fs=8MHz，实际使用fs=80MHz

1、数据生成模块(fs=16kHz)

  14个单音信号按照一定的时序组合生成调制信号，该信号的频率成分单一便于分析观察。每个单音持续时间0.125秒，采用两个RAM实现，一个用于存储频率字出现的顺序另一个用于存储信号频率字。

2、上变频模块(fs=16kHz~8MHz)

3、调制模块(fs=8MHz)

Simulink 仿真

上图为待调制的IQ信号，下图为调制后的信号

使用Simulink的逻辑分析仪进行仿真(定点数仿真结果未出现失真)

ZYNQ 实现

  核心的IQSSB模块通过Simulink代码生成，DAC模块未截取数据位输入到DAC中将数据转换为模拟信号。模块的仿真就不再展示，结果和Simulink的逻辑分析仪类似。

实际运行结果

FPGA实际输出的信号波形完整未发生失真，将信号送入HackRF one中进行SSB解调，观察是否能正常解调出单音信号。

SDR解调演示

问题： 实验使用的调制信号为单音信号，不便于观察其时域波形是否失真，并且可能存在互调失真等等问题，在实际应用中信号为单音信号情况较少，因此还行进一步验证DUC模块处理多音信号的情况。HackRF One接收到信号的频谱中存在明显的频谱泄露。

四、实验问题改进

1、多音信号实验

  音频包含的频率成分较多，从时域和频域上都不便于直接观测出是否正常调制。简化实验采用多音信号进行实验，验证方案可行性。

1.1 Matlab仿真

1.2 Simulink HDL仿真

  Simulink设计的结构相较于之前的实验并未做修改，仅将输入信号从音频变为多音信号。

1.3 FPGA验证

2、SDR实验问题

  HackRF one接收实验信号，SDRangle频谱图除5MHz的中心频率外每隔200kHz的旁瓣上存在谱线，并且在中心频率上还会出现较大的直流信号。此时的相关参数：fc=5MHz，基带采样率为2.1Msps，信号带宽24kHz。
FPGA通过DAC输出的已调信号通过频谱仪观察是正常的，但是使用SDR观察其频谱就会出现上述问题

2.1 旁瓣谱线

通过与频谱仪的观测结果做对比，旁瓣出现谱线的问题是软件问题导致，通过软件设置重新设置FFT采样点数，窗函数等等可以消除这部分的影响。

2.2 中心直流信号

Hack RF采用的是零中频接收机的方式，本振泄露等方式导致出现了直流偏置(中心频率的较大偏置)。Hack RF One并未采用一定的方法去消除本振泄露，官方文档给出的几个建议：1、中心频率不直接设置为需要解调的频率 2、在软件端采用算法去消除显示

2.3 实验测试

使用信号源输出AM调制信号，通过Hack RF One观测信号

五、整体实验设计

红色部分为未完成部分，后续会进行补充。
目前存在的问题：
1、调试过程中UDP丢包严重
2、中断控制反应不正确
3、上位机程序设计存在问题