基于Verilog的數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)FM的調(diào)制與解調(diào)

摘 要：現(xiàn)如今通信技術(shù)發(fā)展飛速，F(xiàn)M調(diào)制與解調(diào)是一種比較常見也是比較實(shí)用的信息傳遞方式，在這個數(shù)字化信息處理時代，將FM信號基于FPGA調(diào)制解調(diào)的數(shù)字化處理進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，符合通信技術(shù)數(shù)字化發(fā)展趨勢。本論文提出一個在可編程門陣列平臺（FPGA）上完成FM的調(diào)制和解調(diào)，詳細(xì)敘述了設(shè)計流程和數(shù)字化處理思想。仿真結(jié)果和流程結(jié)構(gòu)體現(xiàn)本方案的成本低，可塑性高，操作簡單，性能好等特點(diǎn)和優(yōu)勢?？梢詽M足在一些對靈活性要求較高場合的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：FM信號;調(diào)制解調(diào);FPGA;Verilog;數(shù)字信號處理;微分

一、引言

FM調(diào)頻信號是非常常見的信號傳輸方式，被廣泛應(yīng)用于廣播信號中，現(xiàn)如今各省市電臺仍然以不同高頻兆赫區(qū)分。相對AM調(diào)制抗干擾性能更強(qiáng)大，由于FM信號不依賴電波的幅度來儲存信息，所以即使有相似或相近頻率的噪聲破壞信號的幅度信息，也不會對調(diào)頻廣播形成影響，但是AM信號就不行了。因此FM的的抗干擾性能比AM調(diào)制的信號更加強(qiáng)，本身FM調(diào)頻信號發(fā)生和傳輸過程也是相對不難的，因此 FM調(diào)頻信號被應(yīng)用更廣泛。但事實(shí)FM調(diào)頻信號是以載波中心頻率為基礎(chǔ)通過頻偏儲存信息從而傳遞信號，因此占用了一段頻率范圍，因此決定了FM調(diào)制只能適用于高頻，因?yàn)楦哳l部分的微波、超短波可使用范圍大資源充裕，但是超短波和微波不能被大氣層反射，因此信號傳輸范圍比AM調(diào)幅波要小。因?yàn)轭l偏占用了一段頻率范圍，因此FM的頻帶寬度也比AM調(diào)幅波頻帶寬度更寬，在系統(tǒng)有效性方面較AM調(diào)幅波更差一點(diǎn)。

為解決模擬信號調(diào)制解調(diào)缺點(diǎn)，本方案提出一種簡易的數(shù)字處理傳輸方式。二進(jìn)制信號傳輸可以使得，設(shè)備集成度更高，完成任何設(shè)備終端接收都可以完成信號解調(diào)，以數(shù)字處理方式有效解決傳輸距離短等問題。

二、仿真介紹

由第一行往下依次為：基于頻率控制字生成的sin函數(shù)、載波信號carry、調(diào)頻信號FM_Mod、緩存信號、微分信號data_out1、補(bǔ)碼操作后的微分信號data_out2、解調(diào)信號yout。這一系列的變化對應(yīng)了FM信號在基于Verilog數(shù)字化處理的調(diào)制解調(diào)全過程的變化。

三、程序設(shè)計及原理

（一）數(shù)字生成調(diào)制信號原理

FM信號以傳輸語音信號為主，根據(jù)傅立葉變換定理可知，任意函數(shù)信號都可以分解為無限個列正弦或者余弦信號的離散形式，可以將傅里葉變換理解為將任意一個函數(shù)類似于勒泰展開分解為一系列多項(xiàng)式的組合的正弦信號，本文即以正弦信號為調(diào)制信號為例，說明采用數(shù)字頻率合成技術(shù)進(jìn)行的調(diào)制與解調(diào)原理。

一個正弦信號的時域表達(dá)式為：

sin（2πft+θ）

由表達(dá)式可知，頻率由2πft決定，相位由2πft+θ決定

因?yàn)檎倚盘柺顷P(guān)于相位的一個周期函數(shù)，故相位與幅度是線性變化關(guān)系，每一個相位都有一個幅度值相對應(yīng)，其關(guān)系類似存儲器中地址和內(nèi)容的關(guān)系，他們的數(shù)值是一一對應(yīng)的，在儲存器中把周期內(nèi)所有相位以及其對應(yīng)的幅度值存入其中，那么任意頻率的正弦信號，在任何時間t時，只要相位已知，就可查表得到相對應(yīng)的幅度完成sin函數(shù)信號的輸出，因此當(dāng)相位累加器在每個時鐘輸入時累加一次頻率控制數(shù)，寫入相位累加器的就是不同時刻的相位值，其輸出即為相位取樣地址，這就可查表得到相對應(yīng)的幅度完成sin函數(shù)信號的輸出，完成相位與幅值的對應(yīng)轉(zhuǎn)換。

（二）數(shù)字調(diào)制原理設(shè)計

將調(diào)制信號sin，與載波信號carry進(jìn)行調(diào)制，F(xiàn)M信號是一個把信息存儲在角頻率上的信號，是一個幅度不變頻率隨調(diào)制信號幅度線性變化的信號。

如果想要得到一個FM調(diào)頻信號，在程序中決定頻率的值后加上一個變量，而這個變量又與我們想要的調(diào)制信號幅度成線性變化時，這個信號就是我們想要的FM信號。產(chǎn)生一個與我們想要的調(diào)制信號幅度成線性變化的變量，只需要將我們設(shè)定的頻偏與調(diào)制信號相乘。載波的頻率控制字后面加上這個變量即為FM調(diào)頻信號。即為圖中調(diào)頻信號FM_Mod。仿真圖也印證了FM_Mod信號的疏密程度隨調(diào)制信號幅度線性變化的信號。波峰時對應(yīng)FM_Mod頻率增加，頻率最高;波谷時對應(yīng)FM_Mod頻率減小，頻率最低。

（三）數(shù)字解調(diào)原理設(shè)計

解調(diào)方法為鑒頻法，首先將接受到的FM信號，F(xiàn)M信號的一般表達(dá)式為：

其保存調(diào)制信號信息的地方在相位部分，通過函數(shù)微分講函數(shù)在相位保存的信息，提取到幅度上，微分后函數(shù)表達(dá)式為：

其中函數(shù)的幅度部分就是包含了我們想要的原調(diào)制信號

因此，本方案提供了基于Verilog解決FM信號求微分的數(shù)字處理方法。

建立一個緩沖器儲存差了一個脈沖時間的FM信號。用FM信號減去緩沖信號，用這種方式去模擬一個曲線上的兩個無限接近的點(diǎn)做差。

當(dāng)差一個脈沖時間的兩個FM信號相減時，Δx在程序可處理范圍內(nèi)做到最，Δy即為相減之后的值。這個值即為微分值，當(dāng)兩個函數(shù)都進(jìn)行這樣的操作時，得出來的函數(shù)近似為微分后得到的函數(shù)，并且相位上包含了我們想要解調(diào)的信息。

在得出我們想要的信號之前需要先進(jìn)行全波整流，畢竟我們需要的是一條包絡(luò)線，就需要通過全波整流將信號取到上下邊頻的一邊。

全波整流之后，調(diào)取IP核的低通濾波器即可完成包絡(luò)線的提取。相當(dāng)于保留了低頻部分即包絡(luò)部分，去除了高頻部分，噪聲及載波，完成解調(diào)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]馬軍輝.基于MATLAB的幅度調(diào)制與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)

作者簡介：

李浩男（1998-），男，漢族，河北石家莊人，北華航天工業(yè)學(xué)院 電子信息工程專業(yè)本科。