通信原理的fsk調制項目報告

《通信原理》課程項目報告

題 ???目：??? ??????基于開發板的通信系統 ?????????

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聯系方式：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

二零一九年? 2 月 23 日

一、實施方案

設計要求：

在給定的開發板DE10-Lite上，完成以下任務：

第一級：完成數模轉換、二進制調制解調（不含2ASK）（60分）

第二級：完成多進制調制解調、或載波同步（80分）

第三級：同時完成多進制調制解調和載波同步（90分）

單項加分：載波是正弦波，或頻率硬件可調，或系統可以實現其他功能（每個10分）

實現思想：

使用偽隨機序列模擬基帶信號進行FSK調制，通過DA輸出調制波形；再接入AD口模擬信號接收端，對AD采樣的信號進行解調，恢復出原始基帶信號，并與原始信號進行比較。

在應用熟練軟件之后，根據相同的思路做了多進制FSK，對多進制的效率有了更深的體會。

二、實施過程及結果分析

拿到板子之后，我們組內討論得出：做FSK調制解調；一是便于觀察、演示，二是解調手段多樣，便于板子上實現。

不過初期組內熟悉quartus和verilog編程的并不多，而且對項目要求并不是很了解，所以前幾周更多的是學習verilog以及熟悉軟件。在做過通信原理實驗的同學幫助下，算是知道了FSK是怎么一回事，緊接著便著手初步的調制。

在中期的時候我們總算明白了該怎么起手去做：利用FPGA板子做出數字的正弦波，再用基帶信號去進行鍵控調制。

不過由于當時沒有DA模塊再加上對quartus的不熟悉，一切都只是簡單的嘗試，而且只能花費時間先去學仿真軟件modelsim，以期望能仿真出一個正弦波。

網上也各自找了怎么實現數字正弦波，一般的做法是要寫ROM模塊，通過累加地址依次輸出一個一個數據，數據的來源則是通過matlab實現。

最初感覺很復雜，各種各樣的軟件要聯合起來，大家都不大愿意去做，時間也越來越少，只有沉下心去一點點實現。

中途modelsim軟件又出現各種問題，庫文件不全，無法仿真，在網上找了很久找到一個笨辦法，每次仿真時都要手動重新選擇自己生成的庫文件：

https://wenku.baidu.com/view/67f7dbcb05a1b0717fd5360cba1aa81144318f00.html

在枯燥的重復操作中算是熟悉了基本的編程以及仿真方法，百度了很多資料，采用讀取ROM的方法總算是生成了初步的正弦載波，踏出了第一步，仿真圖如下：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

其中使用到來自matlab生成的mif文件作為數據源，matlab代碼如下：

clear;

%生成數據

depth = 64;

width = 8;

index = 0:2 * depth - 1;

value = 0.5*sin(2*pi*index/depth) + 0.5;

value = im2uint8(value);

%===============================開始寫mif文件===============================

addr=0:2 * depth-1;

str_width=strcat('WIDTH=',num2str(width));

str_depth=strcat('DEPTH=',num2str(depth));

fid=fopen('data2.mif','w');? %打開或者新建mif，存放位置和文件名任意

???????????????????????? ?????%如果只寫文件名，則在當前目錄下建立此文件

fprintf(fid,str_width);

fprintf(fid,';\n');

fprintf(fid,str_depth);

fprintf(fid,';\n\n');

fprintf(fid,'ADDRESS_RADIX=HEX;\n');? %因為下面的數據輸入我選的是16進制，

fprintf(fid,'DATA_RADIX=HEX;\n\n');

fprintf(fid,'CONTENT BEGIN\n');

fprintf(fid,'\t%X : %X;\n',[addr;value]);? %開始寫數據了

fprintf(fid,'END;\n');

fclose(fid);

就是用128個點的數據去擬合一個周期的正弦波，同時這里用了數字圖像處理的一個函數im2uint8，將0~1的值直接轉化為0~255的8位二進制值。

仿真結束后，實際電路我們打算用FPGA的鎖相環PLL將時鐘擴展到128M，再去驅動這個ROM模塊，這樣就能生成1MHz的正弦載波了。

調用的過程中，我們也了解到FPGA一大方便之處：調用IP核。很多常用模塊都可以直接通過調核來實現相應功能，像之前實現的正弦載波其實可以直接調用NCO生成。

依靠著強大的百度，我們學會了調用PLL，成功生成128M時鐘驅動ROM實現了1MHz正弦波，并初次使用到了FPGA強大的“內置示波器signal tap”：

然后簡單實現了一個偽隨機序列，并編寫了選通輸出模塊，兩路載波分別為1M、2M，成功完成了2FSK的調制。

放假前夕，我們組拿到了ADDA子卡，可以通過DA輸出、信道傳輸后進行AD采樣來模擬接收了。

假期討論中我們遇到了一個很嚴重的問題，DA發送沒問題，AD接收有問題，我們按照ADDA子卡文檔上進行操作但觀察到的實際波形卻是：

第三行是調制輸出給DA口的，第二行是AD接收的，我們一度懷疑自己設置錯誤了，或者時鐘沒給正確。經過一系列排查，我們發現是頻率的問題。這個“信道”就像是一個低通濾波器，頻率越高衰減越嚴重。

因此我們不得不改變原來制定的1M、2M，將頻率降低到能夠演示的范圍。最后直接用10M時鐘驅動ROM模塊得到78k、156k的兩路載波，而隨機序列則是10k，也能滿足要求。

其調制實際波形通過示波器查看：

可以看到測量頻率為78k，與設計相符，不過這個正弦波很明顯可以看出一些不連續(臺階)，放大后觀察：

這是因為一個周期實際上只用了128個點去近似模擬，這也是我們精度不高的原因。之后做MFSK的時候，已經熟悉了各種操作，通過調用NCO數控振蕩器生成的載波就很平滑，如下：

解調部分我們使用的是非相干解調，將AD接收的信號分兩路，分別通過對應的帶通濾波器，經過全波整流，再低通濾波即可提取出兩路信號的包絡，對兩路信號進行抽樣判決即可解調出原始基帶信號，就是按照書中原理實現的。

這里又牽扯到一個問題，濾波器的實現，查了很多網上的資料，它們一般都是調用的FIR Compiler這個一代IP核，而quartus16給的已經是FIR II這個IP核，有一些不同。

我們借助一代的資料再加上自己的摸索最終實現了FIR濾波器，它的實現同樣也要借助于matlab的數字濾波器設計，好在matlab集成了一個fdatool可以方便地給出我們需要的濾波器參數。

一般工程上實現濾波器不是我們學過的窗函數等方法，用的最多的是等紋波法，這些都可以直接借助fdatool，十分方便。

利用matlab得到的濾波器系數，設置好對應的采樣頻率、輸出位數就成功地實現了FIR濾波器的調用：

最后得到的兩路波形，由于2FSK的特性，判決門限就設置為0，兩路信號比較就可以得到輸出的二進制波形。

不過這里還有最后一個問題：實際應用往往需要得到二進制比特流，這就需要一個定時脈沖去抽樣輸出最終的二進制比特流信息。

我們組參考了《數字調制解調技術的MATLAB與FPGA實現AlteraVerilog版》一書，利用我們判決輸出的二進制波形，實現了一個簡單的“位同步定時”，能夠比較好地抽樣輸出，完成2FSK的解調，最終效果如下：

第一行是模擬的基帶信號，第三行是DA輸出的調制波形，第二行是AD采樣進來的信號(模擬接收端)，第四、第五行分別是通過對應帶通濾波器的信號，第六、第七行是上面兩行提取包絡(全波整流、低通)波形，第八行是六、七行相減，判決前的波形；以0為門限判決得到第九行的二進制波形，但這并不是數據流。

調用位定時模塊，利用第九行的二進制波形得到了位定時脈沖(第十行)，可以發現它的相位并不是固定的，在超前和滯后之間來回跳變，不過下降沿是比較穩定的，取下降沿抽樣輸出得到了最終的解調信號(最下面一行)！

做完這些后，整體流程就比較熟悉了，我們又做了一個簡單的4進制FSK，原理基本相同，不再贅述，直接上signal tap波形：

唯一不同點就是用了四種頻率的載波：第一行基帶數據(四進制)，第二行DA輸出調制波形，第三行AD采樣波形(可以明顯發現頻率越大衰減越大)，下面的還是帶通、提取包絡的波形，原理完全一樣。

最后解調出來的4進制信號與原始基帶信號比較：

比較好地恢復了基帶數據，完成了多進制調制解調。

三、項目總結

這次項目算是大學以來最大的挑戰之一了。最開始目標不明、軟件不會，一點點自學軟件以及verilog語言，之后能熟練地使用軟件完全都是時間堆起來的，quartus、modelsim、matlab等軟件聯合使用，最終完成了這次的項目。

做這次項目還理解到了FPGA開發的流程和它“模塊化”設計的理念，可以進行很好的分工、分模塊設計，最后在頂層文件里調用小模塊搭建起整個系統，這是不同于以往項目的。

在使用ADDA子卡之前我們全是使用的modelsim來進行仿真驗證，而使用ADDA模塊后由于仿真無法實現，我們換成了signal tap直接在板子上驗證結果，也使得我們對這個“內嵌示波器”有了充足的了解。

項目中也體會到一點：書本上通俗易懂的原理在實際工程中往往不是那么好實現的。我們使用的是非相干解調，也有“不會載波同步”的原因在里面，書中直接給出的同步載波卻是整個項目的最大難題，比較遺憾的是這個沒有實現，只參考書后完成了“位同步定時脈沖模塊”。

最后做的4進制調制解調也讓我們更深刻地理解了通信系統的“取舍難題”，我們做的MFSK，傳輸效率確實高了不少，但其耗費的資源(濾波器、尤其是帶寬資源)增加的不是一點半點。尤其是高速通信的當今，帶寬資源更是稀缺，也難怪MFSK實際中基本沒有應用，而基于PSK發展起來的QDPSK、QAM等技術得到了廣泛的應用，確實有著其優勢所在。