基于SDR的FM调制与解调器的实现

　　张博，李少阳, 刘宇

　　(西安邮电大学电子工程学院，陕西省 西安市 710121)

　　摘要：提出了一种基于SDR的FM调制解调器的实现方案，此方案采用ZYNQ平台和AD9361射频收发芯片搭建。首先介绍ZYNQ+AD9361的SDR硬件平台的设计，其次对FM调制解调的原理分析并结合MATLAB进行算法仿真，最终在ZYNQ平台上完成SDR工程设计。

　　关键词：FM；AD9361；软件无线电；CORDIC；调制解调

　　基金项目：西安市集成电路重大专项（201809174CY3JC16）；陕西省教育厅服务地方产业化专项(15JF029)

　　0 引言

　　FM(Frequcncy Modulation) 调制是目前国内外采用的较为普遍的一种调制方式。主要应用于高保真音乐广播，对讲机，卫星通信等领域，传统的方法使用模拟器件搭建的方式，应用最广泛的为收音机。此方式电路结构复杂，灵活性差，抗干扰能力弱；后来逐渐出现DSP或者FPGA与A/D结合的结构，此方案中对ADC和DAC的要求比较高 ^[1-2] 。射频链路比较复杂，不可灵活配置。对于战场上单兵作战通信，飞机通信，人们对SDR要求越来越高，本文提出了在ZYNQ+AD9361的架构上实现的FM调制与解调方案。本方案电路结构简单，功耗低，接收和发射频点灵活可调，高动态范围等优点，FM解调也相对于传统的锁相环相干解调具有结构简单，抗载频失配，同时满足解调宽带和窄带的信号 ^[3] 。

　　1 硬件平台

　　基于SDR的FM调制解调器的硬件平台框图如图1所示，AD9361作为射频收发的核心芯片，接收时将射频数据与本振混频后转换为基带数据，通过内部ADC将模拟信号转换为数字信号，FPGA作为算法处理、系统控制的核心芯片，内部含有ARM-A9双核，主要用于对AD9361内部寄存器的配置，以及系统参数的控制，FM调制解调算法在FPGA中的PL部分实现，该ZYNQ+AD9361平台能够适应各种数字通信，语音通信，本文论述主要应用军用飞机语音通信。

　　1.1 主要芯片选型

　　Xilinx 公司推出了新一代28 nm工艺，集成 FPGA 与双 ARM 核，小封装、低功耗全可编程片上系统（AllProgrammable SoC）Zynq-7000 系列。如图2所示ZYNQ硬件结构，在芯片内部FPGA通过AXI总线完成与ARM的数据交互。完美的将FPGA的优势与ARM的优势结合起来 ^[4] 。

　　采用ADI公司的AD9361射频捷变收发器，作为射频收发器，AD9361支持的频率范围在70 MMHz~6.0 GHz，涵盖了大部分特许执照和免执照频段，支持200 kHz~56MHz的通道带宽，AD9361集成了SDR收发器所必须的RF、数模转换、混合信号 ^[5] 。AD9361芯片内部结构如图3所示。AD9361内部具有两个接收和发射通路:每个接收通路各自含有一个低噪声放大器(LNA)，相内(I)和(Q)正交放大器、混频器、12位ADC和三级半带滤波器以及阶数可调的FIR滤波器，三级半带可通过修改抽取系数来达到降低速率。其中FIR滤波器可以使用MATLAB中的FDATOOL滤波器工具产生滤波器系数，通过软件编程写入AD9361中，应用于更多的通信带宽中。

　　发射通路与接收通路基本相同，基带数据被AD9361接收到，直接进入FIR滤波器，在经过三级半带滤波器插速之后，被DAC采样，其中DAC的采样速率可调，通过三级半带滤波器的插速处理来满足DAC的采样速率。最后信号分为I、Q两路进入射频模块部分与载波混频，在经过放大器通过天线发送。

　　2 FM调制解调软件算法设计

　　2.1 FM调制算法

　　调频（FM）是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的一种调制方式，音频调频信号的数学表达可以写为：

　　其中，A0 为调频信号的幅度；Wc 为载波角频率；νΩ(t)为音频调制信号；kΩ为调制角频偏；ϕ0 为调制信号的初始相位。把式（1）展开得：

　　令 φ 等于式(3)并代入式(2)得式(4)

　　从式(3)看到，在实现FM时要对调制信号进行积分，然后对这积分后的信号分别取正弦和余弦即可。因此用正交调制法实现时只须令：

　　因此，调制算法信号处理如图4所示，语音信号通过STGL5000芯片的ADC以96 kHz的速度进行采样得到采样的信号νΩ(t)，将到信号乘以调制角频偏kΩ 并进行累加求和，然后进行Cordic运算分别进行sin和cos运算得到正交调制，再经过5级级联的CIC滤波器内插20倍，经过内插后的得到1.92 MHz的信号在分别乘以发射功率，就可以得到 I(t) 和Q(t) 的零中频的调制信号，AD9361以1.92 MHz的速度采集I(t) 和Q(t) 的零中频的调制信号，经过FIR滤波器、多级半带滤波器最终DAC以30.72 MHz的速度转化为模拟信号,在与载波信号混频后通过天线发送 ^[6] 。

　　2.2 FM解调算法

　　调制信号表达式：

　　对信号进行正交分解得：

　　对正交与同相分量比值反正切运算：

　　然后，对相位差分，即可求得调制信号：

　　FM信号用正交解调方法进行解调时，也具有较强的抗载频失配（指失配差频和差相是常量，非随机变量）能力，本地载波与信号的载波存在频差和相差时，同相分量和正交分量可表示为：

　　同样，对正交与同相分量之比值反正切及差分运算，就可得到调制信号：

　　当载波失配差频和差相是常量时，解调输出只不过增加了一个直流分量Δw 就可得到调制信号m(n)^[7-8] 。

　　因此，调制算法信号处理如下图5所示，AD9361通过天线接收到射频信号后，经过混频、ADC、多级半带滤波器，FIR滤波器，最终FPGA以1.92MHz的速度采集到XI(t) 和XQ(t)两路中频信号，经过下变频、CIC抽取滤波器、FIR低通滤波器变为零中频信号，在进过cordic算法的极坐标转换得到瞬时相位，然后用前一时刻的瞬时相位减去后一时刻的瞬时相位，就可以得到相位差，即得到解调的有用信息 ^[9] 。但是由于本地载波和信号载波的频差和相差，因此在将解调到的信号进行平均得到信号的功率，并在解调的信号中减去平均功率，就可以得到调制信号 ^[10] 。

　　3 性能仿真与实现

　　3.1 Matlab仿真

　　在Matlab环境下对提出的FM调制解调算法进行了仿真，主要仿真参数如下:

　　(1)调制信号幅度为5的1 KHz正弦波;

　　(2)载波信号幅度为1的64 KHz正弦波；

　　(3)采样率为1 MHz；

　　(4)FM的最大频偏为6 KHz；

　　(5)仿真数据长度为4500；FM调制结果仿真波形如图6所示，由1 KHz的单音调制信号，经过正交调制产生I、Q两路调制信号，最终由I、Q两路正交信号得到最终的调制信号。

　　FM解调结果仿真波形如图7所示，由调制信号经过64 KHz下变频，在经过滤波器到零中频的I、Q两路基带信号，在最终解调出原始信号 ^[10] 。

　　3.2 设计实现

　　在vivado中最终建立如图8所示的工程，在工程中调用了ARM硬核(processing system7_0)通过SPI对AD9361的配置，用户可以通过ARM核上的串口对AD9361的频点改变，以及配合自定义IP (axi_interface_ctrl_0)通过AXI总线实时对FM调制系数、FM发射功率、以及收发切换设置，使得该系统适应更多场景使用，自定义IP(FM_TOP_0) 实现对信号的调制与解调；自定义语音收发IP(analog_aduio_datawr_0)实现对STGL5000芯片的数据的收发。自定义AD9361数据收发IP(system_axi_ad9364_1_0)实现对AD9361的数据收发。

　　天线接收到信号后经过AD9361一次下变频后，通过内部12位ADC转化为数字信号，由FPGA内部的AD9361 IP接收到分成I、Q两路传送到FM调制解调模块，解调出射频信号中的音频信号，然后通过语音收发IP将语音信号发送到STGL5000芯片经过DAC转化后驱动耳机发声，该过程实现了SDR接收过程。

　　STGL5000芯片将麦克风的语音信号经过内部的ADC转化为音频数字信号，有FPGA内部的语音收发IP接收到，传送到FM调制解调IP中进行调制，将调制后的信号分为I、Q两路信号，通过AD9361数据收发IP将数据发送到AD9361芯片和本振混频后通过天线辐射到空间中，如果用户需要更大的功率可以外接功放。该过程实现了SDR的发射过程 ^[11] 。

　　3.3 设计验证

　　将如图8所示的工程综合，布局布线，生成比特流，导入到Xilinx SDK软件中建立C工程 ^[12] ，最终编译下载到SDR收发机的FPGA中，使用RS公司生产的SMA180电台综合测试仪。完成接收机和发射机的测试。

　　测试FM调制时，由RS综测仪输出1KHz的正弦波作为调制信号，将AD9361的载波信号设置为108MHz，同时使用vivado软件下的ILA调试方法，在线测试捕获到某一时刻的调制信号以及调制后零中频的I、Q两路信号,如图9所示。

　　测试FM解调时，由RS综合测试仪，输出载波幅度108 MHz，功率为-53 dBm，调制信号为1 KHz的正弦波，最大频偏为6KHz的射频信号，发送到接收机中，同时使用vivado软件下的ILA调试方法，在线测试捕获到某一时刻的低中频调制信号I、Q两路，经过下变频后变为零中频I、Q两路信号，再通过解调算法解调出原始信号，如图10所示。

　　4 结论

　　本文实现了基于ZYNQ+AD9361平台的FM调制解调器，此系统具有发射频点、接收频点以及FM发射调制角频偏可灵活配置，收发切换时间小于10ms。采用ZYNQ系列的XC7Z020CLG484-1芯片，搭建工程，综合后LUT资源占用616，触发器资源占用107。此平台适用于各种ZYNQ平台具有很好的移植性，能够应用于各种无线通信设计。

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　　作者简介：

　　张博(1983—),男，博士，教授，从事射频模拟集成电路研究。

　　李少阳（1991-），男,硕士研究生，研究方向为集成电路。

　　刘宇 (1973-)，男,硕士，高级工程师，研究方向为集成电路。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第7期第31页，欢迎您写论文时引用，并注明出处