基于国产FPGA的DSB调制解调系统

沈志昕 潘欣裕 汤豪杰 潘威 陈昊 郁凯

摘 要：文中主要介绍了基于国产FPGA的软件无线电发射和接收系统，通过A/D采集音频信号将数据传至FPGA进行DSB调制，接收部分将DSB信号采集传至FPGA进行DSB解调。除硬件A/D，D/A模块外，其余模块均由FPGA通过算法完成，实现了以软件为主体的无线电通信系统。

关键词：软件无线电;FPGA;DSB;通信;A/D;D/A

中图分类号：TP393;TN941.4文獻标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

如今，各种新标准和协议都在不断发布，如果以硬件设备来进行改造，改造成本将大幅上升，并降低系统灵活性，导致系统在未来升级时遇到更大的障碍[1]，因此迫切需要一种可支持和更新不同标准和协议的无线电系统，软件无线电的概念由此诞生。

软件无线电目前的正式称谓为软件定义的无线电（Software Definition Radio，SDR），顾名思义，是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路的无线通信”[2]。其基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，将设计者从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来[3]。软件无线电硬件设备具有拓展性强、开放性好以及兼容性佳等优势，能够完全满足当今社会中的各项软件无线电指标，延长无线电广播的使用寿命[4]。

从简单的层面而言，软件定义的无线电是一种设备，其中天线分别连接模数转换器或数模转换器，用于接收、发送信息。系统的其余部分为数字模式，基于FPGA、DSP和ASIC等器件，具有较好的灵活性，重新配置也更方便[5]。

本文设计的基于国产FPGA的软件无线电调制和解调系统基于FPGA的特性实现调制解调方式的可变性。

1 DSB调制与解调原理

1.1 DSB调制原理

DSB（Double Side Band，DSB）信号是抑制载波的双边带调制信号。由于不发送载波信号，故对于DSB信号而言其包络的变化就反映了调制信号绝对值的变化情况，当调制信号过零点时，相位突变。由普通调幅波（AM）的功率关系可知，2/3的载波信号中不含任何有效的通信信息，导致发射功率被浪费。为了克服此缺点，提高设备的功率利用率，因此选择不发送载波只发送边带信号，以抑制载波双边带调幅波[6]，其数学表达式为：

式中：V0为载波振幅;Ω为调制信号的频率;ω0为载波频率。

DSB调制原理如图1所示。

1.2 DSB解调原理

抑制载波的双边带信号和单边带信号因其波形包络不直接反映调制信号的变化规律，因此不能用包络检波器解调。又因其频谱中无载波分量，因此在解调时必须在检波器输入另一个与发射载波同频同相并保持同步变化的参考信号。此参考信号与调幅信号共同作用于非线性器件电路，经过频率变换和低通滤波后输出调制信号。

将DSB信号与本地同步信号相乘，结果为：

低通滤波后，滤除高频分量后得到低频信号：

式中：V1为载波振幅;V0为DSB信号的振幅;Ω为调制信号的频率;ψ为同步信号与载波的相位差。

DSB解调的原理如图2所示。

2 系统整体设计

本系统由发送和接收两部分组成，其中发送部分由国产FPGA EG4S20核心板，高速A/D、D/A模块，麦克风模块以及天线发送装置组成;接收部分由EG4S20核心板，高速A/D、

D/A模块，音箱以及天线接收模块组成。麦克风接收外来声源产生电平信号，通过A/D模块量化后传入EG4S20核心板进行DSB调制，然后将调制后的数据传至D/A模块发送，将天线与D/A输出相连，通过天线发送调制信号。接收部分通过天线接收装置接收外来信息，由A/D模块采集传送至EG4S20核心板解调，再经D/A模块通过音箱播放。

除A/D，D/A外，系统其余功能都用软件实现，以ALOGIC科技的TD作为开发环境，由FPGA实现数据格式转换、低通滤波等功能。DSB发射和接收系统框图如图3所示。

2.1 A/D模块与D/A模块

AD9280是一款单通道8位32 MS/s模数转换器。本项目通过FPGA与其I/O相连，可达到24 MS/s的采样率，对于音频信号而言，完全满足奈奎斯特采样定律。FPGA将信号调制后，再通过I/O传至D/A模块发送。当AD9280模拟输入端接-5 ～5 V变化的正弦波电压信号时，其转换后的数据也成正弦波波形变化，转换波形如图4所示。

由此可得模拟信号与数字信号的表达式：

式中：Vanalog为输入信号的振幅;Vdigital为A/D量化的数字量。

AD9708是一款数字信号转模拟信号器件，内部未集成DDS，但可以通过控制AD9708的输入数据使其模拟DDS的功能。图5所示为AD9708的输入数据和输出电压值按照正弦波变化的波形图。

由此可得数字信号与模拟信号的表达式：

式中：Vdigital为D/A输入的数字量;Vanalog为输出模拟电压振幅。

FPGA可通过A/D模块、D/A模块与外界通信，其余工作都由FPGA完成。A/D模块与D/A模块原理如图6、图7所示。

2.2 载波产生方式

在进行DSB调制时，除了采集的音频信号外还需要正弦波作为载波，高频载波通过FPGA产生。在工程应用中，采用数模转换器DAC主控制芯片FPGA产生的数字波形信号通过数模转换芯片以及信号调理电路输出高精度的方波、正弦波及幅值较高的模拟信号[7]。

本工程中正弦波的频率为：

式中：fs为载波频率;CLK为ROM的输入时钟;n为时钟的分频系数。

2.3 低通滤波模块

数字滤波器主要由数字乘法器、加法器、延时电路等构成，其为一个数字信号处理器。数字滤波通过将数字信号采取一定的运算逻辑对其进行转变，同时对某些频率进行消除或提升分频率的相对占有比，以此实现消除干扰频率的目的[8]。若采用通用的计算机，编写程序即可完成对信號的处理，但速度较慢;若采用专用的计算机，其芯片是根据固定计算方法制成的一种集成电路，连接信号后即可完成对信号的处理，速度较快，但处理方式无法更改;若采用可编程的计算机芯片，则既可以编写不同程序以达到处理方式的多样化，又具有较快的处理速度，因此是目前市场中应用最为广泛的方式[9]。本工程采用MATLAB的FDATOOL工具设计了FIR低通滤波器。FIR数字滤波器无反馈回路，所以是一个稳定的系统，且具有较精准的线性相位[10]。利用MATLAB设计的FIR滤波器参数设置界面如图8所示。

FIR滤波器具有较好的线性相位，在使用窗函数设计时选用汉明窗。汉明窗的幅频特性是旁瓣衰减较大，主瓣峰值与第一个旁瓣峰值衰减可达43 dB，符合项目需求。Fs为采样频率，本项目中频率为24 MHz，Fc为截止频率，考虑到本项目的载波频率高于500 kHz，所以截止频率设定为100 kHz。

2.4 FPGA系统简述

FPGA是在PAL，GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

SparkRoad‐V开发板以上海安路科技的EG4S20BG256为核心，板载外设丰富，集成 JTAG 仿真器，只需一根USB电缆即可开发。FPGA开发板如图9所示。

3 系统测试

系统采用5 V/1 A单电源供电，以保证射频信号的功率处于安全范围内。将系统配置完成后采用信号发生器产生频率为20 kHz的正弦信号模拟语音信号，再经过A/D采集后传至FPGA进行DSB调制，载波频率为984 kHz，之后将调制好的信号通过D/A传至天线。DSB调制波形如图10所示。

将接收的DSB信号经A/D采集后传至FPGA进行相干解调，经过FIR低通滤波器后实现调制信号还原，由D/A输出至喇叭播放。DSB解调波形如图11所示，虽然有传输噪声的影响，但仍然能够较为理想地还原调制信号。

将麦克风接入调制系统，用收音机接收信号。经过多次试验，发现在500 kHz～10 MHz频率范围内，可从收音机接收到清晰的语音信号。将已调信号接入解调系统，将D/A模块与喇叭相连，同样能够播放出清晰的语音信号。

4 结 语

本项目利用转换模块与FPGA制作了DSB调制和解调系统，经过实验能较好地将信号发送，并将信号从调制信号中解调。本系统可以在500 kHz～10 MHz频率范围内发射，效果良好。

参考文献

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[3]陶玉柱，胡建旺，崔佩璋.软件无线电技术综述[J].通信技术，2011，44（1）：37-39.

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[9]张倩倩，韩佳玮.基于FPGA的FIR数字滤波系统设计与实现[J].信息通信，2019，33（9）：37-39.

[10]胡凯翔，李长星，杨飞.基于FPGA的改进式FIR数字滤波器设计[J].工业控制计算机，2019，32（12）：28-29.