李德进与梁海民:基于FPGA的通用解调器

没办法，有的图上不来，汗。你可以去万方看下，能发现不少呢

　　一种基于FPGA 的多功能通用解调器
　　X
　　柯宏发,孙晓东,周广涛,葛海龙
　　(中国人民解放军63880 部队,河南洛阳471003)
　　摘 要:利用现场可编程门阵列(FPGA) 实现了一种多解调方式的通用解调器,介绍了其硬件结构、
　　特点及工作原理,并介绍了AM、FM、SSB、FSK、PSK等调制方式的软件解调原理。
　　关键词:通信;接收机;解调器;现场可编程门阵列
　　中图分类号:TN961 文献标识码:A
　　A Multi - functional General - purpose Demodulator
　　Based on FPGA
　　KE Hong - fa , SUN Xiao - dong , ZHOU Guang - tao , GE Hai - long
　　(Unit 63880 of PLA ,Luoyang 471003 ,China)
　　Abstract :This paper introduces a multi - functional general - purpose demodulator based on FPGA ,and presents
　　hardware frame ,character ,and operation principle of the demodulator.
　　Key words :Communication ;Receiver ; Demodulator ;FPGA
　　一、引 言
　　无线通信在现代通信中占据着非常重要的位
　　置。随着现代化电子技术和软件无线电技术的飞速
　　发展,各种先进的数字化接收机在军事通信领域获
　　得了广泛的应用。不少接收机已突破单一的频段和
　　模式,从传统的单信道、单频段向标准化的、开放结
　　构、多信道、多频段、多波形的软件无线电系统发展,
　　以满足在全部通信频段、各种信道调制方式、各种编
　　码方式和密码类型的通信需要,以及各种数据格式
　　下的互操作性要求,从而实现军事通信领域中的无
　　缝隙、多媒体和各种数据速率通信。现场可编程门
　　阵列器件(FPGA) 可以无限次地被重新编程,根据需
　　要选用不同的软件模块,适时地对芯片重新配置以
　　改变系统的功能,从而为多调制方式、多编码方式等
　　多功能技术的实现提供了硬件平台。本文简要介绍
　　了FPGA 器件的结构及特点,实现了一种基于FPGA
　　技术的多功能通用解调器。
　　二、FPGA
　　FPGA 是具有可编程连接和逻辑功能的门阵列,
　　通常由布线资源围绕的可编程逻辑单元构成阵列,又
　　由可编程输入/ 输出单元围绕阵列构成整个芯片,如
　　图1 所示。排成阵列的逻辑单元由布线通道中的可
　　编程连线连接起来实现一定的逻辑功能。FPGA 器件
　　兼具了ASIC 芯片的高性能和DSP 器件的灵活性,在
　　工作速度、处理性能和功耗方面优胜过DSP 器件,同
　　时又具有比ASIC 芯片大得多的应用灵活性,重配置
　　简单容易。一个FPGA 包含有静态存储单元,它们允
　　许内连的模式在器件被制造以后可以再被无限次地
　　重新编程加载或修改,利用它可以1 s 几次或1 s 数百
　　次地改变器件执行的功能,甚至可以只对器件的部分
　　地域进行重构,此时芯片的其他部分仍可正常工作。
　　作为可编程系统设计平台的第三代FPGA 在芯片中
　　嵌入了CPU 内核,并集成了高速I/ O ,使FPGA 的处理
　　速度和处理能力完成了一次飞跃。
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　　X 收稿日期:2002 - 12 - 30
　　电讯技术 2003 年第3 期
　　研究与开发
　　RESEARCH &DEVELOPMENT
　　© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　　图1 FPGA 的典型结构
　　三、通用解调器的FPGA 实现
　　及工作原理
　　本文采用FPGA 器件实现一个可编程控制的多
　　功能的通用解调器,硬件电路如图2 所示。整个系
　　统由FPGA、A/ D、复位电路、数据EPROM、程序E2
　　PROM、外部总线和总线控制电路等组成。电路板加
　　电或系统复位信号触发复位电路工作,使FPGA 复
　　位。嵌入在FPGA 中的CPU 内核执行程序EPROM
　　中存储的控制程序,读取数据EPROM中存储的初始
　　解调方式配置位流文件,完成FPGA 解调电路的初
　　始配置。解调电路完成对中频输入并经过A/ D 的
　　信号采样数据流的数字下变频、滤波、检测和判决。
　　判决输出的二进制数据流通过高速I/ O 送往下一级
　　处理模块。当需要转换其它解调方式时,CPU 控制
　　外部总线,将从I/ O 接口送来的配置位流文件存入
　　数据EPROM,等待系统复位信号触发,以完成FPGA
　　的重新配置。
　　图2 多功能通用解调器硬件框图
　　四、解调软件模块
　　多功能通用解调器实现对AM、FM、SSB、FSK、
　　PSK等调制方式信号的解调,AM、FM、SSB、FSK、PSK
　　等调制信号具有各自不同的软件解调模块。即根据
　　不同调制方式的解调原理,建立解调器的数学模型,
　　并将该数学模型用计算机软件实现,并转换成位流
　　文件存入图2 中的数据EPROM。
　　11AM解调器
　　AM信号表达式为
　　s ( t) = ( A + f ( t) ) cosωct
　　Af | f ( t) | max (1)
　　将接收信号s (t) 取绝对值,经过低通滤波消除
　　高频分量得到解调后的基带信号。AM 信号解调器
　　的数学模型表示为
　　| s ( t) | =| ( A + f ( t) ) | cosωct | lp- f ir = kf ( t)
　　(2)
　　软件处理实现框图如图3 所示。
　　图3 AM信号解调器软件流程结构
　　21FM解调器
　　FM信号表达式为
　　S ( t) = A cos (ωct + kf∫f ( t) dt) (3)
　　本文利用差分相干解调法进行FM 信号的解
　　调。设置采样频率ωs = 1/ t0 ,使得ωt0 =π/ 2 ,经过差
　　分运算和低通滤波器滤除高频分量,即可得到FM
　　信号的解调输出。FM 信号解调器的数学模型如式
　　(4) ,软件处理实现框图如图4 所示。
　　s ( t) ·s ( t - t0) lp- f ir = k ·f ( t) (4)
　　图4 FM信号解调器软件流程结构
　　31SSB 解调器
　　SSB 信号表达式为
　　s ( t) = f ( t) cosωct ±^f ( t) sinωct (5)
　　SSB 信号通常采用相干解调,输入信号与同频
　　同相载波相乘,通过低通滤波器滤除高频分量,得到
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　　解调输出。解调器的数学模型如式(6) ,软件处理实
　　现框图如图5 所示。
　　s ( t) ·cosωct =
　　1
　　2 f ( t) +
　　1
　　2 f ( t) cos2ωct
　　º 1
　　2
　　^f sin2ωctlp- f ir =
　　1
　　2
　　f ( t) (6)
　　图5 SSB 信号解调器软件流程结构
　　41PSK解调器
　　PSK信号表达式为
　　s ( t) = ∑n
　　ang ( t - nTs) cosωct
　　an =
　　+ 1 概率P
　　- 1 概率1 - P
　　(7)
　　PSK信号解调必须要采用相干解调法,输入信
　　号与同频同相载波相乘,通过低通滤波器滤除高频
　　分量,通过抽样判决得到解调输出的二进信息。解
　　调器的数学模型如式(8) ,软件处理实现框图如图6
　　所示。
　　s ( t) cosωct =
　　1
　　2 an +
　　1
　　2 ancos2ωctlp- f ir =
　　1
　　2 an
　　(8)
　　图6 PSK信号解调器软件流程结构
　　51FSK解调器
　　FSK信号表达式为
　　s ( t) = ∑nang ( t - nTs) cosω1 t
　　+ ∑n
　　…a
　　ng ( t - nTs) cosω2 t
　　an = 0 概率P
　　1 概率1 - P
　　…a
　　n = 1 概率P
　　0 概率1 - P
　　(9)
　　本文对FSK信号的解调也采用相干解调法,通
　　过最后的抽样判决得到解调输出的二进信息。软件
　　处理实现框图如图7 所示。
　　图7 FSK信号解调器软件流程结构
　　不同调制方式信号的解调需要不同的DSP 算
　　法以及FPGA 硬件配置,如果硬件在初始化时把这
　　些算法完全加载到DSP 以及FPGA 上,那么算法对
　　DSP 内存以及FPGA 资源的需求将非常巨大,本文
　　多功能解调器采用工作模式动态切换来实现功能的
　　多样化。
　　五、通用解调器的特点
　　11 高度集成化
　　由于应用了超大规模集成电路现场可编程门阵
　　列FPGA ,可以将多种解调方式集成在一个芯片中予
　　以实现,使电路大为简化,从而使各种系统具备了小
　　型化、低功耗的实现基础。
　　21 可扩展性强
　　随着通信技术的迅速发展,各种新的调制方式
　　不断涌现,对新调制体制的信号实现解调,由于FP2
　　GA 是现场可编程的,不需要增加硬件电路,只要根
　　据其解调原理编制软件,转换成二进制位流文件写
　　入图2 中的数据EPROM即可。
　　31 可修改性强
　　由于FPGA 是现场可编程的,当对某种解调方
　　式进行改进时,只需要根据本文第四部分对解调原
　　理进行修改,编制软件转换成位流文件写入图2 中
　　的数据EPROM即可,而不需要改变硬件电路。
　　六、结束语
　　在未来数字化战场上,要求通信系统及通信对
　　抗系统能适应多种复杂的信号类别,使得操作人员
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　　可根据任务的需要,在现场用软件来规定系统的具
　　体功能,并可随时予以修改,所以系统必须走出过去
　　信号侦察和处理设备一对一的设计框架,构造与设
　　计新的更灵活、更具通用性、可现场编程的开放式的
　　信号侦察和处理系统。本文利用超大规模集成电路
　　现场可编程门阵列FPGA 实现了一种多解调方式的
　　通用解调器,介绍了其硬件结构及工作原理,并介绍
　　了AM、FM、SSB、FSK、PSK等调制方式的软件解调原
　　理。文中不当之处,敬请专家和同行指正。

提问者很幽默，在性之地问解调器，搞笑。