基于SoPC的雙邊帶調(diào)幅波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)雙邊帶調(diào)幅波系統(tǒng)的一些具體問題，如提高速度、降低成本等，應(yīng)用QuartusⅡ和NiosⅡ軟件工具，在SoPC環(huán)境下利用FPGA(ALTERA EP2A35F48418)芯片構(gòu)建DDS信號(hào)，設(shè)計(jì)雙邊帶調(diào)幅波系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，參數(shù)便于調(diào)節(jié)。重點(diǎn)闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、硬件實(shí)現(xiàn)、主要單元設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。由于采用了SoPC系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的工作速度、集成度和靈活性，值得推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：SoPC；NiosⅡ；DDS；DSB

0 引言
    調(diào)幅就是用低頻調(diào)制信號(hào)去控制高頻波信號(hào)的振幅。經(jīng)過振幅調(diào)制的高頻載波稱為調(diào)幅波，它保持著高頻載波的頻率特性，但包絡(luò)線的形狀和信號(hào)波形相似。產(chǎn)生調(diào)幅波的主要方法是利用波形合成技術(shù)。目前波形合成技術(shù)主要有兩種通用的方法，一種是使用專用的數(shù)字頻率合成DDS芯片，另一種是基于SoPC的解決方案。專用DDS芯片的功能比較多，但控制方式固定、不靈活。而在FPGA芯片上利用DDS信號(hào)可以很容易地實(shí)現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅信號(hào)，具有良好的實(shí)用性。

1 DSB的基本原理與調(diào)制模型
    當(dāng)調(diào)制信號(hào)為單頻信號(hào)時(shí)，若設(shè)調(diào)制信號(hào)為uΩ(t)=UΩmcosΩt，載波信號(hào)為uc(t)=Ucmcosωct，通常要求ωc>>Ω，則雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表示式為：
   
    式中：A為乘積電路的電路常數(shù)；AUΩmUcmcosΩt為雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的振幅，它與調(diào)制信號(hào)成正比。
    雙邊帶調(diào)幅信號(hào)由圖1所示框圖來實(shí)現(xiàn)，其核心部分在于實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)與載波相乘。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路
2．1．1 DDS信號(hào)源
    雙邊帶調(diào)幅波的調(diào)制模型中的載波和調(diào)制波是通過DDS信號(hào)源實(shí)現(xiàn)的。其DDS結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，DDS是由頻率合成器、相位累加器、波形ROM、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器LPF構(gòu)成。

2．1．2 硬件原理圖
    系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)圖如圖3所示。圖中加法器通過QuartesⅡ軟件直接用VHDL語言編寫，波形ROM查找表則利用Matlab軟件生成。

    低頻DDS中主要用的是32位加法器、8×8的ROM查找表；其中第一個(gè)32位加法器完成對(duì)頻率控制字的累加，第二個(gè)32位加法器則用于相位控制。高頻DDS中主要用的是8位加法器、8×8的ROM查找表；其中8位加法器完成對(duì)頻率控制字的累加。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的核心是由可裁剪的Nios軟核與可存儲(chǔ)正弦波形信號(hào)的DDS模塊(如圖3)組成。Nios軟核接收到不同按鍵信息，根據(jù)按鍵信息設(shè)置不同的DDS輸出波形參數(shù)(載波相位、頻率與調(diào)制波相位、頻率)，經(jīng)由PIO口將被選擇的信號(hào)傳輸給DAC芯片。其程序流程圖如圖4所示，選擇程序部分如下：
   

3 測(cè)量結(jié)果及分析
    不斷地調(diào)整輸入頻率控制字PWORD，PWORD1，可以得到下面一組仿真結(jié)果(見圖5)。這組圖形中，時(shí)鐘頻率fc=16 384 Hz。圖5(a)是高頻DDS的輸出波形，頻率為6 250 Hz；圖5(b)是低頻DDS的輸出波形，頻率為3．9 Hz；圖5(c)是在高頻fWORD1=6 250 Hz，低頻fWORD=3．9 Hz，相位M=13時(shí)的雙邊帶調(diào)幅波形；圖5(d)是在高頻fWORD1=6 250 Hz，低頻fWORD=3．9 Hz，相位M=101時(shí)的雙邊帶調(diào)幅波形；圖5(e)是在高頻fWORD1=6 250 Hz，低頻fWORD=12．5 Hz，相位M=101時(shí)的雙邊帶調(diào)幅波形。

    從圖5中可以很輕易地看出幾點(diǎn)：
    (1)調(diào)幅后的波形的包絡(luò)(見圖5(c))是低頻正弦波(見圖5(b))周期的50％；
    (2)低頻調(diào)制波的相位對(duì)調(diào)幅后的波形的包絡(luò)長(zhǎng)度沒有影響(見圖5(c)和圖5(d))；
    (3)低頻調(diào)制波的相位對(duì)調(diào)幅后的波形的幅度有影響，當(dāng)它變大時(shí)，調(diào)幅波形的幅度也變大(見圖5(c)和圖5(d))，但并不是線性變化；
    (4)低頻DDS的輸入頻率會(huì)改變調(diào)幅波形的包絡(luò)長(zhǎng)度，當(dāng)?shù)皖lDDS的輸入頻率變大即周期變小時(shí)，調(diào)幅波形的包絡(luò)長(zhǎng)度也變小(見圖5(d)和圖5(e))；
    (5)低頻DDS的輸入頻率不會(huì)改變調(diào)幅波的幅度，當(dāng)低頻DDS的輸入頻率變大即周期變小時(shí)，調(diào)幅波形的幅度沒有發(fā)生明顯的變化(見圖5(d)和圖5(e))。
    綜上所述，這些均符合雙邊帶調(diào)制波形的特征，完成了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語
    本文介紹了一種基于SoPC的雙邊帶調(diào)幅波系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了整個(gè)設(shè)計(jì)流程，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真分析。利用SoPC設(shè)計(jì)雙邊帶調(diào)幅波系統(tǒng)，方法簡(jiǎn)單、靈活、參數(shù)便于修改，具有良好的實(shí)用性。