基于nco的調(diào)制信號在fpga中的實現(xiàn)

基于nco的調(diào)制信號在fpga中的實現(xiàn)

1正交傳輸模塊控制振動器（rco）產(chǎn)生的時間色散和振幅色散信號，通常用于通信系統(tǒng)中的i-q混合功率發(fā)生器，也通常用于數(shù)字鎖的環(huán)中，用于通信接收機(jī)中的波速。NCO還可作為頻移鍵控（FSK）或相移鍵控（PSK）調(diào)制器，此時輸出信號的頻率或相位變化直接與輸入數(shù)據(jù)相對應(yīng)。在模擬調(diào)制中，利用NCO可以直接產(chǎn)生調(diào)頻信號（FM），但要產(chǎn)生調(diào)幅信號（AM）則要進(jìn)行一定的處理。2坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算cordic方法產(chǎn)生數(shù)字正弦信號的方法有許多種。通用的方法是在單位圓上累加相位增量產(chǎn)生角度位置，然后用累加相位值作為ROM查找表的地址，完成從極坐標(biāo)到笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換?？梢允褂贸朔ㄆ鳒p少ROM的容量，對于給定的精度，乘法器的使用可以指數(shù)降低存儲器的使用量，但是需要更多的邏輯單元（LE）。產(chǎn)生數(shù)字正弦信號的另一個方法是使用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）算法確定正弦和余弦的值，CORDIC算法用累加相位值作為輸入，然后通過一系列二進(jìn)制移位和比較確定對應(yīng)角度的笛卡爾坐標(biāo)。在所有的方法中，相位增量累加的頻率和輸入相位增量的大小直接決定正弦信號的頻率，而輸出信號的值用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示。NCO生成的正弦信號用下列公式定義：其中：T是時鐘周期，f0是由相位增量輸入值фINC決定的未調(diào)制輸出頻率，fFM是由頻率調(diào)制輸入值фFM決定的頻率調(diào)制參數(shù)，фPM是相位調(diào)制輸入值，фDITH是內(nèi)部抖動相位值，A=2N-1,N是幅值精度。對于給定的相位增量фINC，輸出頻率f0由下列公式?jīng)Q定：其中：fclk是時鐘頻率，M是相位累加器精度。當(dāng)фINC=1時輸出頻率最小，這是NCO輸出的最小可觀測頻率，亦稱NCO的頻率分辨率。NCO有三個基本參數(shù)：相位累加器精度（M）、角度精度和幅值精度（N），角度精度是極坐標(biāo)到笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前的相位角精度。3調(diào)幅信號am的產(chǎn)生原理利用NCO可以產(chǎn)生調(diào)頻信號（FM）、頻移鍵控信號（FSK）、相移鍵控信號（PSK）、調(diào)幅信號（AM）和幅度鍵控信號（ASK）等多種調(diào)制信號，載波頻率由фINC、fclk和M決定。調(diào)頻信號（FM）、頻移鍵控信號（FSK）和相移鍵控信號（PSK）可由NCO直接產(chǎn)生。對于調(diào)頻信號（FM），只要將調(diào)制信號作為頻率調(diào)制輸入фFM即可，改變調(diào)制信號的幅度可以改變調(diào)頻信號的頻率偏移量。對于頻移鍵控信號（FSK）和相移鍵控信號（PSK），只要將數(shù)據(jù)信號經(jīng)過處理后分別加在頻率調(diào)制輸入端фFM和相位調(diào)制輸入端фPM即可，對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理是為了達(dá)到輸出鍵控信號的要求。調(diào)幅信號（AM）的產(chǎn)生原理如圖1所示。NCO1產(chǎn)生的雙極性低頻調(diào)制信號首先通過調(diào)幅度控制改變調(diào)制信號的幅度，然后通過電平控制1將雙極性調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成單極性信號。如果不對調(diào)制信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，得到的將不是常規(guī)調(diào)幅信號（AM），而是抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號（DSB-SC）。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的單極性調(diào)制信號與NCO0產(chǎn)生的雙極性高頻載波信號相乘實現(xiàn)調(diào)幅。電平控制2的作用是將雙極性的調(diào)幅信號也轉(zhuǎn)換成單極性信號，以便用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）電路輸出調(diào)幅信號。利用調(diào)幅信號產(chǎn)生電路可以很容易地實現(xiàn)幅度鍵控信號（ASK）的產(chǎn)生，只要將數(shù)字信號直接與載波信號相乘即可。4nco的設(shè)計下面以調(diào)幅信號（AM）為例介紹調(diào)制信號在FP-GA中的實現(xiàn)，實現(xiàn)電路如圖2所示。圖中兩個NCO的相位累加器精度為32位，角度精度為16位，幅值精度為10位，時鐘頻率fclk=50MHz，載波信號的輸入相位增量設(shè)為171800000，載波信號頻率為2MHz，調(diào)制信號的輸入相位增量設(shè)為171800，調(diào)制信號頻率為2kHz。NCO的參數(shù)設(shè)置如圖3所示。NCO有四種結(jié)構(gòu)：SmallROM（小ROM）、LargeROM（大ROM）、CORDIC（坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算）和Multiplier-Based（乘法器），四種結(jié)構(gòu)的性能如表1所示。可以看出：不同結(jié)構(gòu)的NCO性能不同，其中小ROM結(jié)構(gòu)的性能稍差，大ROM和乘法器結(jié)構(gòu)的性能相近，CORDIC結(jié)構(gòu)的性能最好，最高頻率高達(dá)385MHz。調(diào)幅信號的FPGA實現(xiàn)電路中，乘法器inst6實現(xiàn)調(diào)制信號的幅度控制，輸出結(jié)果取20位乘積的高10位；加法器inst8實現(xiàn)調(diào)制信號的極性轉(zhuǎn)換，由于調(diào)制乘法器inst5是有符號運(yùn)算，為了防止乘積溢出造成輸出結(jié)果錯誤，inst8的常數(shù)輸入項為256，而不是512。調(diào)制乘法器inst5的輸出結(jié)果也取20位乘積的高10位，經(jīng)加法器inst7實現(xiàn)調(diào)幅信號的極性轉(zhuǎn)換后輸出到外部10位高速DAC輸出調(diào)幅信號。不同調(diào)幅度的調(diào)幅信號波形如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，可以利用基于FPGA的嵌入式處理器軟核NIOSII對調(diào)幅信號的載波信號頻率、調(diào)制信號頻率和調(diào)幅度進(jìn)行控制，電路框圖如圖5所示。5生各種調(diào)制信號用FPGA實現(xiàn)的NCO具有設(shè)計靈活、精確度高、頻率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以產(chǎn)生各種調(diào)制信號，廣泛