调频发射机_基于FPGA的数字调频发射机设计

基于FPGA

徐万明

[摘要]FGPA ，在遥测系统中实现了DDS+PLL+SSB模式的数字调制发射机。

[关键词]FPGA ；数字调频发射机；DDS ；设计

1．引言

随着通信事业的不断发展，软件无线电技术和数字技术越大，功能越来越好，已用来设计实现由许多中小规模逻辑也得到了飞速的发展，在军事通信和民用通信中都具有很重器件组成的系统，并有较好的软件平台支持。

要的意义。

软件无线电技术自从1992年提出以来，在最近几FPGA 一般可由三种可编程电路和一个用于存放编程数年取得了引人注目的发展，它突破了传统的无线电台功能单据的SRAM 组成，这三种可编程电路是：可编程逻辑块一，可扩展性差的局限性，强调以开放性的最简单的通用平(CLB)、输入/输出模块(IOB)和互联资源(IR)。CLB 是FPGA 台，尽可能的使用可升级、可重配置的应用软件实现各种无的主要组成部分是实现逻辑功能的基本单元。它主要是由逻线电的设计新思路。无线通信领域中，

模拟调制的技术己经辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。IO 提供了器很成熟，但是调制码速率、频带利用率不高、调制频偏受变容件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，通常排列在芯片的四二极管特性的限制，同时模拟调制发射机的功能单一、调制周。其主要是由输入触发器、

输入缓冲器、输出触发/锁存器不可重组、

单个系统调制频率不可改变，无法满足频率多变和输出缓冲器组成。每一个IOB 控制一个引脚，

可被配置为的需求。

基于软件无线电的数字调制式发射机具有模拟调制输入、输出活双向I/O功能。可编程互联资源包括各种长度无可比拟的优点，采用可编程器件可以实现重组调制、兼容的金属连线和一些可编程连接开关，它们将各个CLB 之间各种调制方式、

调制频率可变、频偏可调，合理充分地利用了和IOB 之间互相连接起来，

构成各种复杂功能的系统。由于珍贵的频率资源，同时在实际地应用中还可以与采编器合FPGA 有集成度高、编程仿真方便、速度快等优点，使得并，可扩展性很强等优点。电路数字化是信息领域，特别是通FPGA 在信号处理、通信以及电力系统中得到了广泛地应用。

信技术领域发展的趋势。数字通信具有抗干扰能力强、传输可靠性高、

便于进行数字信号的存储和处理、易于集成化和3．数字调频发射机的原理

微型化等优点。

数字化发射机具有工作稳定可靠，功能齐全、数字调频发射机主要是由模数转换器A/D、FIR 滤波器、参数可编程，体积小的特点；随着微波集成电路和超大规模直接数字频率合成DDS(DirectDigital Synthesis) 、锁相环频率数字门阵列的发展，数字调制发射机比先前的产品的性能又合成器PLL (phaseLock Loop) 、和单边带调制SSB(Single可以得到大幅度提高而且体积更小、

成本更低，具有较广阔Singal Band) 五部分组成；整个系统的实现框图如图1：

的应用前景。本文数字调制发射机原理进行了研究，尤其对系统的工作过程进行了细致的分析，试图将数字调制发射机所实现的功能设计到一块大容量的FPGA 芯片上，并在此基础上进行了数字调制发射机硬件和软件设计。

2．FPG A 简介

现场可编程门阵列（FPGA ）是基于通过可编程互联连接的可配置逻辑块（CLB ）矩阵的可编程半导体器件。与为特殊设计而定制的专用集成电路（ASIC ）相比，FPGA 可以针对所图1．数字调制发射机实现框图

需的应用或功能要求进行编程。虽然具有一次性可编程（OTP ）FPGA ，但是主要是基于SRAM 的，其可随着设计的DDS 用来产生高分辨率、频偏可调的频率时变信号，也演化进行重编程。

FPGA 是一种可由用户自行定义和配置的就是产生低频信号并实现基带信号的调频；

DDS 部分包括高容量的专用集成电路，由许多较小的逻辑单元组成内部累加器、正余弦查找表、模数转换器DA/；锁相环路PLL 是阵列。单元间的信号通过其周围的布线通道实现互连，

逻辑一个相位跟踪系统，用来合成高精度、高稳定度的中心频率

——————作者简介：徐万明，——————————————————男，——天津人，—

本科，研究方向：通信专业。

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I 、Q 两进行、扩展信根据一定的。数字滤波器。数字滤波器在数字信号传输和处理中有广泛的应用。

5．直接数字频率合成器D D S 的原理

采样是对连续信号进行抽取后得到一组离散的数据；而DDS 恰好是采样的相反过程，利用有限的离散数据，通过查表法得到信号的幅值，通过数模转换器DA/后生成连续波。如图2所示。在DDS 的ROM 存储器存放不同的波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS 的波形存储器分别存放正弦和余弦DDS 合成两路正函数表时，既可得到两路正交的输出信号。交的信号，同相分量(I路信号) 和正交分量(Q路信号) 经环路滤波器虑除杂波干扰后与锁相环路PLL 输出两路正交的载波信号进行混频，混频后把低频的基带信号调制到高频的载波信号上，经放大器放大后辐射到空间。

的需要，每个器件都有其特定的工作时钟，为了节省成本及整块电路板上我们使用一个晶振，然后降低PCB 板的面积，

利用现场可编程器件FPGA 进行分频后，给其它的器件各自电所需的工作时钟。此次设计中，考虑到实际的性能需求，路中的A/D转换器采样时钟是10MHz ，FPGA 的工作时钟是80MHz ，锁相环环路的参考时钟是SMHZ ，为此我们在整个电路中采用了一个80MHz 晶振作为FPGA 的参考时钟，八分频后分别作为然后通过将晶振接入FPGA 进行十分频、

锁相环环路的参考时钟和A/D转换器的工作时钟。

6．2

DDS 模块

专用DDS 芯片的功能和种类比较多，但每种芯片的控价格也比较昂贵；在充分掌握DDS 工作原理的制方式固定、

基础上，利用FPGA 可根据需要方便地实现各种调频、调相和调幅功能的DDS ，具有良好的灵活性和实用性。就合成信内部号质量而言，专用DDS 芯片由于采用特定的集成工艺，数字信号抖动小，可以输出高质量的模拟信号；设计中我们使用滤波器、利用信号的对称性扩大ROM 的存储容量等方FPGA 实现的DDS 也能输出较高质量的信号，虽然达不法，

到专用DDS 芯片的水平，但信号精度误差在使用的允许范围之内。

6．3

PLL 电路实现

低数字调制发射机中，由DDS 生成了低频的基带信号，频的信号不便于无线传输，需要将其调制到高频载波上，实高精度的载现有效的无线通信。锁相环用来产生高稳定度、

波。锁相环路由双模分频器MC12034、锁相环频率合成芯片Mc145152、压控振荡器HE725、放大器OPA 四部分组成。

6．4

单边带调制电路

幅度调制用AD 公司的I/Q调制器AD8346芯片实现，调制频带为0．8GHz-2．5GHz ，主要由本振它是一款高性能、

源、混频器、v-I 转换器、差分信号-单边带信号转换器组成。

7．结论

基于软件无线电的数字调制式发射机具有模拟调制无可比拟的优点。本设计包括整体方案选择、原理图设计、PCB

图2

DDS 原理框架图

板图绘制、硬件电路焊接及调试；硬件电路调试是设计中很重要的一个环节，调试结果验证设计的正确性和可行性，调试中能发现设计中的问题和不足，便于我们总结经验和改进设计。

参考文献：

[1]延明．基于FPG A 的视频监控系统的防抖动研究[J]．安防科技，2007(09) ：2-3．

[2]陈恒. 用高性能FPG A 应对连通性的挑战[J]．半导体行业，2006(03) ：3-4．

[3]吴晓铁，俞军，程君侠．基于单片FPG A 的可扩展D V I 发送器[J]．半导体技术，2007(12) ：5-6．

[4]曹丽苹，张秀芹．基于分布式算法的FPG A 技术在FI R 数字滤波器中的应用[J]．保定职业技术学院，2006(02) ：10-12．

[5]周宁宁，程春玲．基于FPG A 技术的计算机组成原理实验系统[J]．现代电子技术，2005(01) ：2-4．

（下转第83页）

6．数字发射机的硬件电路及V H D L 实现

本次设计采用自顶向下的设计方法，分为三个层次，顶层为复用级，它由若干个次层模块构成，每个次层模块均可完成一个较为独立的功能，次模块在调试成功后可生成为一个默认符号，以供上一层模块调用。次模块又可细分为若干个子模块，每个子模块同样可完成相对独立的功能，……，如此层层嵌套，即可根据实际需要细化到逻辑门级。每层设计结束后都可及时对其进行仿真，仿真成功后就可以生成符号，便于下一步的设计。

6．1

时钟分频控制模块

整个硬件电路板由AD 转换器、DA 转换器、锁相环频/IQ调制芯片、Atlera 公司的现场可编程器件率合成电路、

FPGA 及各种接口电路和插件组成；由于器件的差异和设计—76—

3G 时代的到来，意味着手机多媒体的应用会日趋广泛。[4]

成功的实现了在手机上捕获一段视频，然后再对捕获到的视[5]频进行播放控制，比如删除等操作，同时在内存处理上也有一[6]定的效果。按照这样的原理也可以推理到进行多段视频的捕[7]获及播放的方案也是可行的；同时，由于及时释放了手机视频社，

2007的内存资源，达到节约手机内存资源的目的，方便系统的其它[8]应用。

[9]参考文献：

[10][1]王咸锋，林华．手机远程视频实时监控系统的设计与实现[A]．数采与监测，微计算机信息，2007，23(12-1)：112-113．

[11][2]迟瑞楠. 手机视频播放系统[A]．网络与通信，维普咨询，2007，8：54-58．

[12][3]James Keogh ．J2ME 开发大全[M]．潘颖，王磊译．北京：清华大2003．

学出版社，2004．

The Implementation of Mobile Video Capture Method

Wang Qingjuan 1

Zhang Xingming 2

(1．Software Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510006，Guangdong ；

2．School of Computer Science and Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510006，Guangdong)

【Abstract 】For the current upsurge of mobile multimedia development and application ，it innovates upon the integration of JMF and

RMS ，manages to capture video of mobile supported java ，and improves the release of mobile resources ，according to the research of J2ME cross-platform technology ．To a certain extent ，

it makes full use of the memory effectively ，and facilitates the memory and management of the data ，so it is valuable in mobile multimedia application domain ．

【Keywords 】J2ME ；JMF ；RMS

（———上接第—————76————页）

———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————The Design of Digital Modulation Transmitter Based on FPGA

Xu Wanming

(TianjinPolytechnic University, School of Information and Communication Engineering, Tianjin 300160)

【Abstract 】The digital modulation transmitter based on software radio has the unparalleled advantages ．This paper discusses how

to make use of field programmable devices FGPA to realize the DDS +PLL +SSB mode digital modulation transmitter in telemetry system ．

【Keywords 】FPGA ；digital modulation transmitter ；DDS ；design

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