通信原理的fsk调制项目报告

《通信原理》课程项目报告

 

 

 

题    目：          基于开发板的通信系统          

组    号：                                  

任课教师：                            

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二零一九年  2 月 23 日

一、实施方案

设计要求：

在给定的开发板DE10-Lite上，完成以下任务：

 

第一级：完成数模转换、二进制调制解调（不含2ASK）（60分）

 

第二级：完成多进制调制解调、或载波同步（80分）

 

第三级：同时完成多进制调制解调和载波同步（90分）

 

单项加分：载波是正弦波，或频率硬件可调，或系统可以实现其他功能（每个10分）

实现思想：

使用伪随机序列模拟基带信号进行FSK调制，通过DA输出调制波形；再接入AD口模拟信号接收端，对AD采样的信号进行解调，恢复出原始基带信号，并与原始信号进行比较。

在应用熟练软件之后，根据相同的思路做了多进制FSK，对多进制的效率有了更深的体会。

二、实施过程及结果分析

拿到板子之后，我们组内讨论得出：做FSK调制解调；一是便于观察、演示，二是解调手段多样，便于板子上实现。

不过初期组内熟悉quartus和verilog编程的并不多，而且对项目要求并不是很了解，所以前几周更多的是学习verilog以及熟悉软件。在做过通信原理实验的同学帮助下，算是知道了FSK是怎么一回事，紧接着便着手初步的调制。

在中期的时候我们总算明白了该怎么起手去做：利用FPGA板子做出数字的正弦波，再用基带信号去进行键控调制。

不过由于当时没有DA模块再加上对quartus的不熟悉，一切都只是简单的尝试，而且只能花费时间先去学仿真软件modelsim，以期望能仿真出一个正弦波。

网上也各自找了怎么实现数字正弦波，一般的做法是要写ROM模块，通过累加地址依次输出一个一个数据，数据的来源则是通过matlab实现。

最初感觉很复杂，各种各样的软件要联合起来，大家都不大愿意去做，时间也越来越少，只有沉下心去一点点实现。

中途modelsim软件又出现各种问题，库文件不全，无法仿真，在网上找了很久找到一个笨办法，每次仿真时都要手动重新选择自己生成的库文件：

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

在枯燥的重复操作中算是熟悉了基本的编程以及仿真方法，百度了很多资料，采用读取ROM的方法总算是生成了初步的正弦载波，踏出了第一步，仿真图如下：

                                               

其中使用到来自matlab生成的mif文件作为数据源，matlab代码如下：

clear;

 

%生成数据

depth = 64;

width = 8;

index = 0:2 * depth - 1;

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

value = im2uint8(value);

%===============================开始写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');  %打开或者新建mif，存放位置和文件名任意

                              %如果只写文件名，则在当前目录下建立此文件

fprintf(fid,str_width);

fprintf(fid,';\n');

fprintf(fid,str_depth);

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

fprintf(fid,'ADDRESS_RADIX=HEX;\n');  %因为下面的数据输入我选的是16进制，

 

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

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

fprintf(fid,'\t%X : %X;\n',[addr;value]);  %开始写数据了

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

fclose(fid);

 

就是用128个点的数据去拟合一个周期的正弦波，同时这里用了数字图像处理的一个函数im2uint8，将0~1的值直接转化为0~255的8位二进制值。

仿真结束后，实际电路我们打算用FPGA的锁相环PLL将时钟扩展到128M，再去驱动这个ROM模块，这样就能生成1MHz的正弦载波了。

调用的过程中，我们也了解到FPGA一大方便之处：调用IP核。很多常用模块都可以直接通过调核来实现相应功能，像之前实现的正弦载波其实可以直接调用NCO生成。

依靠着强大的百度，我们学会了调用PLL，成功生成128M时钟驱动ROM实现了1MHz正弦波，并初次使用到了FPGA强大的“内置示波器signal tap”：

然后简单实现了一个伪随机序列，并编写了选通输出模块，两路载波分别为1M、2M，成功完成了2FSK的调制。

放假前夕，我们组拿到了ADDA子卡，可以通过DA输出、信道传输后进行AD采样来模拟接收了。

假期讨论中我们遇到了一个很严重的问题，DA发送没问题，AD接收有问题，我们按照ADDA子卡文档上进行操作但观察到的实际波形却是：

第三行是调制输出给DA口的，第二行是AD接收的，我们一度怀疑自己设置错误了，或者时钟没给正确。经过一系列排查，我们发现是频率的问题。这个“信道”就像是一个低通滤波器，频率越高衰减越严重。

因此我们不得不改变原来制定的1M、2M，将频率降低到能够演示的范围。最后直接用10M时钟驱动ROM模块得到78k、156k的两路载波，而随机序列则是10k，也能满足要求。

其调制实际波形通过示波器查看：

可以看到测量频率为78k，与设计相符，不过这个正弦波很明显可以看出一些不连续(台阶)，放大后观察：

这是因为一个周期实际上只用了128个点去近似模拟，这也是我们精度不高的原因。之后做MFSK的时候，已经熟悉了各种操作，通过调用NCO数控振荡器生成的载波就很平滑，如下：

解调部分我们使用的是非相干解调，将AD接收的信号分两路，分别通过对应的带通滤波器，经过全波整流，再低通滤波即可提取出两路信号的包络，对两路信号进行抽样判决即可解调出原始基带信号，就是按照书中原理实现的。

这里又牵扯到一个问题，滤波器的实现，查了很多网上的资料，它们一般都是调用的FIR Compiler这个一代IP核，而quartus16给的已经是FIR II这个IP核，有一些不同。

我们借助一代的资料再加上自己的摸索最终实现了FIR滤波器，它的实现同样也要借助于matlab的数字滤波器设计，好在matlab集成了一个fdatool可以方便地给出我们需要的滤波器参数。

一般工程上实现滤波器不是我们学过的窗函数等方法，用的最多的是等纹波法，这些都可以直接借助fdatool，十分方便。

利用matlab得到的滤波器系数，设置好对应的采样频率、输出位数就成功地实现了FIR滤波器的调用：

最后得到的两路波形，由于2FSK的特性，判决门限就设置为0，两路信号比较就可以得到输出的二进制波形。

不过这里还有最后一个问题：实际应用往往需要得到二进制比特流，这就需要一个定时脉冲去抽样输出最终的二进制比特流信息。

我们组参考了《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现AlteraVerilog版》一书，利用我们判决输出的二进制波形，实现了一个简单的“位同步定时”，能够比较好地抽样输出，完成2FSK的解调，最终效果如下：

第一行是模拟的基带信号，第三行是DA输出的调制波形，第二行是AD采样进来的信号(模拟接收端)，第四、第五行分别是通过对应带通滤波器的信号，第六、第七行是上面两行提取包络(全波整流、低通)波形，第八行是六、七行相减，判决前的波形；以0为门限判决得到第九行的二进制波形，但这并不是数据流。

调用位定时模块，利用第九行的二进制波形得到了位定时脉冲(第十行)，可以发现它的相位并不是固定的，在超前和滞后之间来回跳变，不过下降沿是比较稳定的，取下降沿抽样输出得到了最终的解调信号(最下面一行)！

做完这些后，整体流程就比较熟悉了，我们又做了一个简单的4进制FSK，原理基本相同，不再赘述，直接上signal tap波形：

唯一不同点就是用了四种频率的载波：第一行基带数据(四进制)，第二行DA输出调制波形，第三行AD采样波形(可以明显发现频率越大衰减越大)，下面的还是带通、提取包络的波形，原理完全一样。

最后解调出来的4进制信号与原始基带信号比较：

比较好地恢复了基带数据，完成了多进制调制解调。

三、项目总结

这次项目算是大学以来最大的挑战之一了。最开始目标不明、软件不会，一点点自学软件以及verilog语言，之后能熟练地使用软件完全都是时间堆起来的，quartus、modelsim、matlab等软件联合使用，最终完成了这次的项目。

做这次项目还理解到了FPGA开发的流程和它“模块化”设计的理念，可以进行很好的分工、分模块设计，最后在顶层文件里调用小模块搭建起整个系统，这是不同于以往项目的。

在使用ADDA子卡之前我们全是使用的modelsim来进行仿真验证，而使用ADDA模块后由于仿真无法实现，我们换成了signal tap直接在板子上验证结果，也使得我们对这个“内嵌示波器”有了充足的了解。

项目中也体会到一点：书本上通俗易懂的原理在实际工程中往往不是那么好实现的。我们使用的是非相干解调，也有“不会载波同步”的原因在里面，书中直接给出的同步载波却是整个项目的最大难题，比较遗憾的是这个没有实现，只参考书后完成了“位同步定时脉冲模块”。

最后做的4进制调制解调也让我们更深刻地理解了通信系统的“取舍难题”，我们做的MFSK，传输效率确实高了不少，但其耗费的资源(滤波器、尤其是带宽资源)增加的不是一点半点。尤其是高速通信的当今，带宽资源更是稀缺，也难怪MFSK实际中基本没有应用，而基于PSK发展起来的QDPSK、QAM等技术得到了广泛的应用，确实有着其优势所在。

四、小组分工

 

参考文献：

 

[1]    杜勇. 《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现AlteraVerilog版》. 电子工业出版社，2015.3

[2]    李颖洁等. 《现代通信原理——信息传输的基本原理》.清华大学出版社，2007.5