簡易AM信號調(diào)制的FPGA實(shí)現(xiàn)過程簡單講解

前幾天，臨危受命，幫幾個初學(xué)者的學(xué)生寫一個簡易AM信號的FPGA實(shí)現(xiàn)，以幫助他們搭建一個相對完整的系統(tǒng)，測試他們的低速ADC，高速DAC，AGC控制等等模塊。

本文的FPGA代碼已經(jīng)經(jīng)過上板測試，由于時間緊急沒有保存圖片，所以文章只有仿真圖片。

首先，為什么是AM信號的調(diào)制過程，是因?yàn)樵诙虝r間情況下，AM信號的實(shí)現(xiàn)相對簡單，而且上述提到的幾個模塊都可以得到使用和驗(yàn)證。

因?yàn)镕PGA的價格因素，做課設(shè)/比賽使用最多的還是Altera的Cyclone系列板。所以，本文使用Quartus II 13.1 作為Verilog代碼綜合實(shí)現(xiàn)工具。

AM信號調(diào)制過程就不做過多介紹了，簡單來說，就是基帶信號和一個直流信號相加，然后與載波相乘。那么，在實(shí)現(xiàn)過程中，做了些許改變，先讓基帶信號與載波相乘，然后將截位后的信號與載波相加。如果想要實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的AM信號調(diào)制（變更調(diào)制深度等參數(shù)），可以修改這個地方的先后順序。

AM公式表達(dá)如下：

實(shí)現(xiàn)過程如上圖，頂層文件使用BSF文件，更為直觀。由上圖可以看出，基帶信號和載波信號是由NCO（DDS）產(chǎn)生，在上板驗(yàn)證中，低頻部分的NCO被刪去，由低速ADC采樣外部信號替換這部分的低頻信號。所以在剛開始搭建模塊時，低速NCO輸出信號位寬就兼容了低速ADC的16位位寬。

根據(jù)資料1可得，Altera提供的NCO是根據(jù)32位輸入信號phi_inc_i而輸出對應(yīng)的頻率的正弦波。公式為：

NCO(DDS)的本質(zhì)是ROM表，ROM表存儲著正弦波的波形數(shù)據(jù)，相位精度代表波形數(shù)據(jù)的多少。根據(jù)phi_inc_i累加地址，ROM根據(jù)地址輸出波形數(shù)據(jù)，最后數(shù)據(jù)計算如下。

然后讓基帶和載波信號相乘，使用LPM_MULT IP核，設(shè)置好位寬，數(shù)據(jù)類型設(shè)為“signed”，設(shè)置流水線（增加clock），延遲設(shè)為1，便于后續(xù)通過時序檢查。

相乘輸出信號位寬為32位，保險起見我們只截取最高位的符號位，再截取低位的數(shù)據(jù)。但是經(jīng)過上板測試和仿真，符號位實(shí)際上有很多位。當(dāng)然，這部分可以將符號位進(jìn)行優(yōu)化，或者設(shè)置一個模塊，根據(jù)輸入的參數(shù)輸出不一樣的截位信號，相當(dāng)于在調(diào)整調(diào)制深度。

同時，將載波信號延遲一個周期，與乘法器延遲一周期的信號做好時序?qū)R，然后經(jīng)過LPM_ADD_SUB IP核的加法運(yùn)算；同樣，LPM_ADD_SUB IP核設(shè)置好輸入信號位寬，數(shù)據(jù)類型設(shè)為“signed”，設(shè)置流水線，延遲設(shè)為1。

最后輸出的信號就可以經(jīng)過高速DAC輸出。整個調(diào)制過程就結(jié)束了。

仿真結(jié)果：

最后思考，可以在加法器和乘法器增加一個enable端口，IP核可以增加這個輸入信號；如果先加再乘，由于直流信號一般不會變動，使能信號可以等待每次低速ADC或低速NCO數(shù)值更新再拉高一次；乘法器也可以使用使能信號控制，這樣的話性能可能沒有變化，功耗或許可降低些。

此外，使用VCS仿真NCO的nco.vo文件時，一直遇到一個問題，報錯如下：

大概是說NCO生成的4個hex文件有問題，但是使用modelsim就沒這個問題了。