基于FPGA的AM调制系统

摘  要：本系统由FPGA、串口屏、DAC模块和AD831组成。FPGA通过调用宏功能模块NCO，按照输入时钟50MHz，产生相应频率正弦信号输出，共产生两路，一路为调制信号，另一路为载波信号。根据AM调制的原理，调用宏功能模块LPM_MULT将调制信号和载波信号的数值相乘，得到AM调制信号，并能够对调制度进行调节。并系统采用AD831完成对于AM调制信号的上变频，本振信号由信号发生器产生。

关键词：AM，DDS，UART，FPGA

1. 设计方案工作原理

1.1 系统方案描述

本系统框图如图1.1所示,FPGA通过调用宏功能模块NCO，按照输入时钟50MHz，产生相应频率的调制信号、载波信号和AM调制信号数值，DAC模块根据控制字产生相应频率和幅值的信号。输出的AM调制信号接入AD831与高频率信号进行混频最终输出高频信号。串口屏通过串口与FPGA进行通信可以在一定范围内对调制信号的频率、载波频率和调制度进行调节。

图1.1 系统框图

1.2 方案比较与选择

1.2.1 FPGA

方案1：使用高云的GW1NSR-LV4C型号的FPGA，其具有Cortex-M3的硬核处理器，共有4608个逻辑单元、3456个寄存器，乘法器的参数为16，Block SRAM有180K，用户闪存为256K，并有2个锁相环PLL，4个I/O Bank,用户I/O数为44。

方案2：使用EP4CE6系列的Cyclone IV EP4CE6F17C8N型号FPGA,其含256个管脚，6272个逻辑单元，采用BGA封装。采用低成本、低功耗的FPGA架构、6K到150K的逻辑单元、高达6.3Mb的嵌入式存储器、高达360个18×18乘法器，实现DSP处理密集型应用、协议桥接应用，实现小于1.5W的总功耗。

综合以上考虑，考虑到AM调制系统的需求和各项频率的需求，在尽、可能减少功耗的前提下，选择方案2。

1.2.2 DAC电路方案

方案1：使用ACM9767高速DAC模块，其为一款高性能高速双通道DAC模块，本模块具有单电源5V供电输入，双通道数字转模拟信号输出，每个通道数据分辨率为14位，输出电压范围为正负5V，且转换速率高达125Msps。

方案2：使用与FPGA开发板的AD和DA集成板，其采用THS5651A电路，能够产生规定频率的波形，并且稳定输出。具有精度高、电路简单、价格便宜的特点。

综合上述考虑，考虑到电路的复杂程度、结果的精确程度以及方案的价格等方面，选择方案2。

1.2.3 人机交互方案

方案1：使用数码管和按键作为人机交互，数码管显示调节的模式（调制信号、载波信号和调制深度），按键调节频率和调制度。

方案2：使用串口屏制作人机交换界面，制作一个主界面和三个子界面，三个子界面分别调节调制信号的频率、载波信号的频率和调制深度。

方案3：使用数码管和矩阵按键，数码管作为调节模式的显示，矩阵按键作为输入，输入相应的频率和调制深度。

综合以上考虑，为了方便快捷的调节频率、调制度，我们最终选择方案2。

2.核心部件电路设计

2.1 DAC电路

DAC电路，即数模转换电路。其采用THS5651A电路，完成数模转换。其通过R27和内部VREF设定的DAC输出差分电流是IOUTA = 0mA-5mA，IOUTB = 5mA-0mA（这里IOUTA和IOUTB是差分对），具体的输出电流值由输入DAC的码值DA_Data[9:0]确定。IOUTA和IOUTB通过外部运放电路转化为单端电压。

DAC电路如下图2.1所示。

图2.1 DAC电路图

 2.2 AD831混频电路

AD831混频电路起到的是混频作用，将对FPGA产生的AM调制信号完成上变频。其能够完成将信号频率由一个量值转为另一个量值，常常用于产生中频信号。AD831由混频器、限幅放大器、低噪声输出放大器和偏置电路等组成，是一款集成的混频器，其本人和射频输入均可达到500MHz，中频输出方式由两种：差分电流输出和单端电压输出，在采用差分电流输出时，输出频率可达250MHz；在采用单端电压输出时，输出频率可达200MHz。

AD831电路如下图2.2所示。

图2.2 AD831电路图

3.系统软件设计分析

3.1 主要模块程序设计

FPGA程序主要由四部分组成，分别为U0-串口接收模块、U1-频率调节模块、U3-波形选择模块和U4-DAC转换模块。U0-串口接收模块用于接收来自串口屏发出的频率和调制深度信息，然后将接收的信息传送到U1-频率调节模块，U1-频率调节模块进行处理生成三个相对应的控制字转送给U3-波形选择模块，同时U3-波形选择模块根据拨动按键来选择输出的波形，然后将波形产生数据传送给U4-DAC转换模块。

AM调制系统RTL图如图3.1所示。

图3.1 系统RTL图

 3.2 关键模块程序清单

关键模块的程序原文件列表主要包含串口、波形选择、频率调节、DAC转换和顶层文件。

模块程序清单如图3.2所示。

图3.2 程序清单图

 4.竞赛工作环境条件

4.1 设计分析软件环境

Windows 10；Quartus Ⅱ；Modelsim。

4.2 仪器设备硬件平台

示波器（RIGOL:DS2022A-EDU）；信号发生器（RIGOL:DG4102）；直流电源（RIGOL:DP832）。

4.3 测试条件

工作电源电压：±12V；

温度：室温；

气压：标压。

5.作品成效总结分析

5.1 系统测试性能指标

调制信号测试方案：输出信号为正弦波，频率为1KHz，观察示波器结果。

载波信号测试方案：输出信号为正弦波，频率为5MHz，观察示波器结果。

AM调制测试方案：输出信号为AM调制信号，观察示波器结果与波形。然后接入AD831模块射频输入端，并使用信号发生器产生25 MHz,100mv Vpp的正弦信号，接入AD831模块本振输入端，混频后得到30 MHz，并使用示波器的MATH功能的FFT来观察频谱。

自由设置调制信号测试方案：使用串口屏调节调制信号频率，观察示波器结果。

自由设置载波信号测试方案：使用串口屏调节载波信号频率，观察示波器结果。

调制度测试方案：使用串口屏调节调制深度，观察示波器结果，对其进行分析。

5.2 成效得失对比分析

5.2.1 调制信号测试结果

表5.1 调制信号测试结果表

波形	频率	谐波失真度
正弦波	1KHz	1.42%

5.2.2 载波信号测试结果

表5.2 载波信号测试结果表

波形	频率	谐波失真度
正弦波	5MHz	1.31%

5.2.3 AM调制测试结果

表5.3 AM调制测试结果表

是否调制	调制深度	是否上变频	上变频频率
是	0.5	是	30.02MHz

5.2.3 自由设置调制信号参数测试结果

使用串口屏进入调制信号参数测试界面，调节调制信号频率，观察示波器结构。其频率范围为1KHz-10KHz，分辨率为0.01KHz.以下为部分测试结果。

表5.4 调制信号频率测试结果表

理论信号	实际信号
1.00KHz	1.001KHz
1.05KHz	1.051KHz
1.50KHz	1.498KHz
2.00KHz	2.008KHz
3.50KHz	3.499KHz
5.00KHz	5.002KHz
10.00KHz	9.997KHz

5.2.4 自由设置载波信号参数测试结果

使用串口屏进入载波信号频率设置界面，调节载波信号频率，观察示波器结果。其范围为1M-10MHz,分辨率为0.01MHz。以下为部分测试结果。

表5.5 载波信号频率测试结果表

理论信号	实际信号
1.00MHz	1.002MHz
2.00MHz	2.006MHz
3.00MHz	2.988MHz
4.00MHz	3.989MHz
5.00MHz	5.008MHz
6.50MHz	6.503MHz
7.70MHz	7.705MHz
8.80MHz	8.796MHz
10.00MHz	10.004MHz

5.2.4 自由设置调制深度测试结果

使用串口屏进入调制深度设置界面，调节调制深度，观察示波器结果。步进为0.1。

以下为部分测试结果。

表5.6 调制深度测试结果表

理论值	实际值
0	0.001
0.1	0.107
0.2	0.180
0.3	0.280
0.4	0.390
0.5	0.450
0.6	0.580
0.7	0.670
0.8	0.790
0.9	0.875
1	0.998

5.3创新特色总结

系统电路系统简单，输出波形美观。结构清晰分明，采用正负12V供电，对电源要求低；此外，系统还具有以下3点优点：

1. 利用宏功能模块NCO和LPM_MULT实现调制信号和载波信号以及AM调制信号的产生，精度高，速度快，远远超过题目所设定的要求。
2. 具有混频的功能，精度高，可以将FPGA产生的射频信号进行上变频。
3. 系统可以通过串口屏对系统进行交互和控制。系统可以对频率进行粗略调节和精细调节，可以实现超越题目要求的频率输出。

综上，系统完全实现了题目的要求，精度较高，并且在功能上加以拓展。性能十分优良。效果远超题目要求。

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更新日志：

2023年7月5日——文章首次上传

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