HF/VHF數字調制多功能發(fā)射機，附完整硬件方案和器件選型

項目背景及可行性分析

1.. 項目名稱(chēng): HF/VHF數字調制多功能發(fā)射機

2.. 項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況:

本項目主要的內容是:設計制作一臺能工作在HF及VHF波段的數字調制發(fā)射機,能提供AM, FM,DSB,SSB等語(yǔ)音通信調制模式,及ASK,FSK,PSK等數據通信調制模式. 話(huà)筒輸入的語(yǔ)音信號經(jīng) AC97 Audio CODEC 編碼后輸入FPGA進(jìn)行數字調制, 電鍵和RS—232接口輸入的數字信號經(jīng)FPGA進(jìn)行數字調制,各種調制模式能在瞬間互相切換.

目前的進(jìn)展情況:本項目已通過(guò)可行性論證,證實(shí)方案可行.現在正在進(jìn)行子模塊的功能劃分,以及子模塊性能參數的初步確定.

3.. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng )新點(diǎn)的論述:

本項目的關(guān)鍵技術(shù)是:數字實(shí)時(shí)調制;FPGA乘法器的復用;雙路DAC正交輸出;DDS和FPGA的綜合運用.

數字實(shí)時(shí)調制,要求對FPGA的邏輯資源有深入的了解.通過(guò)合理設計邏輯電路,運用流水線(xiàn)技術(shù),提高FPGA的信號處理速度,以滿(mǎn)足數字實(shí)時(shí)調制對FPGA處理速度的嚴苛要求.

由于FPGA的乘法器數量有限,通過(guò)邏輯單元構成乘法器則會(huì )消耗大量的邏輯單元,不但不符合對成本效益的要求,而且這樣往往也不能滿(mǎn)足多調制模式數字調制器對乘法器的龐大需求.在設計多調制模式數字調制器時(shí)必須考慮如何把有限的乘法器通過(guò)復用來(lái)減少對乘法器的需求,盡可能利用FPGA內部的乘法器,而不利用邏輯單元來(lái)構成乘法器.若用DSP芯片來(lái)實(shí)現多調制模式數字調制器, DSP芯片內部的乘法器在程序運行時(shí)就能得到復用,因此在實(shí)現多調制模式數字調制器的時(shí)候往往采用DSP芯片的方案而不采用FPGA的方案.

雙路DAC正交輸出與后面的DDS,兩路混頻器和加發(fā)器共同構成鏡像抑制混頻器,用于把DAC輸出的信號進(jìn)行頻率的搬移,以滿(mǎn)足輸出信號覆蓋HF和VHF頻段的設計要求.由于兩路DAC后接的LPF的相頻特性不可能完全一致,因此在FPGA中必須考慮增加補償算法.

本項目的創(chuàng )新點(diǎn)在于:通過(guò)對各種調制模式Verilog實(shí)現的改進(jìn),在保證滿(mǎn)足實(shí)時(shí)調制的情況下,復用乘法器,把邏輯單元的消耗減少到最低,從而減少系統的功耗.空余的邏輯單元為后繼的系統升級留下足夠的邏輯單元資源.并且可以提供比多DSP芯片方案更高的可靠性和集成度,符合現代消費電子產(chǎn)品對體積的嚴苛要求.

利用DDS+FPGA數字調制方案,相對于市面上消費通訊產(chǎn)品大量采用的模擬調制方案,具有可靠性高,抗干擾能力強,體積小,調試容易,設備升級容易等優(yōu)點(diǎn).

4.. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

技術(shù)成熟性:

以DAC+FPGA的基本方案為基礎.配合DDS專(zhuān)用芯片產(chǎn)生正交本地振蕩信號,利用AC97 Audio CODEC進(jìn)行音頻信號的采樣與編碼,采用RS-232接口與PC機進(jìn)行通訊,以MCU,LCD,鍵盤(pán)作為人機交互界面.以上這些是本系統的主要組成模塊,它們都具有高成熟性的特點(diǎn),采用這些模塊構成的設備現正被大量生產(chǎn)和銷(xiāo)售,因此本系統所采用的基本技術(shù)是十分成熟的.

技術(shù)可靠性:

本設計項目以V2PRO硬件開(kāi)發(fā)平臺為基礎,配合雙路DAC,DDS信號發(fā)生,混頻電路,以及寬帶放大器,人機交互模塊構成. V2PRO硬件開(kāi)發(fā)平臺具有集成度高,擴展容易的特點(diǎn),還集成有AC97 Audio CODEC和穩壓供電電路,因而V2PRO硬件開(kāi)發(fā)平臺具有高可靠性的特點(diǎn).

雙路DAC,DDS信號發(fā)生器,寬帶放大器均采用專(zhuān)用芯片構成,混頻電路則采用混頻器模塊, 人機交互模塊沒(méi)有采用FPGA內部的PowerPC來(lái)完成,主要是基于EMI/EMC的考慮,避免把外部的干擾引入FPGA影響系統輸出信號的質(zhì)量. 人機交互模塊采用工業(yè)級的具有相當抗干擾能力的單片機,程序采用代碼陷阱等方法提高抗干擾能力, 人機交互模塊的電路嚴格按照EMI/EMC的要求設計,增加各種抗干擾電路,并且在經(jīng)過(guò)充分測試后才接入系統.上述電路由于大量采用專(zhuān)用芯片和模塊來(lái)代替分立元件電路以及以嚴謹的精神進(jìn)行設計,因此具有可靠性高,調試容易,體積小巧等優(yōu)點(diǎn).

項目實(shí)施方案

1.方案基本功能框圖及描述:

①話(huà)筒輸入的語(yǔ)音信號經(jīng) AC97 Audio CODEC 編碼后輸入FPGA進(jìn)行數字調制,可提供AM, FM,DSB,SSB等語(yǔ)音通信調制模式.

②電鍵和RS—232接口輸入的數字信號經(jīng)FPGA進(jìn)行數字調制,可提供ASK,FSK,PSK等數據通信調制模式.

③實(shí)時(shí)的高速數字信號調制通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現,各種調制模式能在瞬間互相切換.

④兩組DAC在FPGA的控制下可輸出正交的已調制信號.

⑤兩組DAC后接LC低通濾波器,用于濾除高次諧波.

⑥DDS,兩組混頻電路,以及加法器用于改變最終輸出信號的頻率.

⑦加法器后接的放大器用于緩沖和放大最終的輸出信號.

⑧單片機,LCD,鍵盤(pán)構成人機交互模塊,用于在脫離PC機的情況下,控制系統的所有功能.

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺:

①實(shí)現本方案所需要的基本功能、功能、接口

實(shí)現本方案需要FPGA具有足夠多的邏輯單元,并且具有16位或以上數量足夠多的乘法器,用于實(shí)現DSP算法. 具有高速擴展接口,用于連接兩路DAC. 具有低速擴展接口,用于連接人機交互模塊和電鍵.具有AC97 Audio CODEC,用于對話(huà)筒輸入的語(yǔ)音信號進(jìn)行編碼.具有RS-232端口,用于與PC機相連.具有穩壓供電電路,以便接上5V電源即可正常工作,簡(jiǎn)化整個(gè)系統供電電路的設計.具有高速時(shí)鐘源電路,為FPGA和外部的DAC提供時(shí)鐘源.

②所需要的目標FPGA開(kāi)發(fā)平臺，簡(jiǎn)述為什么需要此平臺

所需要的目標FPGA開(kāi)發(fā)平臺是V2PRO,因為本項目要求FPGA具有16位或以上數量足夠多的乘法器,需要有AC97 Audio CODEC, RS-232端口, 高速擴展接口, 低速擴展接口,高速時(shí)鐘源電路,獨立的穩壓供電電路.

③是否需要其它配套的開(kāi)發(fā)工具

除了Xilinx ISE Foundation, ModelSim XE-III外,還需要LabVIEW用于開(kāi)發(fā)PC機上的RS-232通信控制軟件.

3.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

需要開(kāi)發(fā)的FPGA模塊包括:

①DAC輸出模塊:用于把調制模塊輸出信號的通過(guò)高速擴展接口輸出到DAC和控制DAC的工作狀態(tài).

②調制模塊:用于完成AM,FM,DSB,SSB, ASK,FSK,PSK,的實(shí)時(shí)數字調制.

③RS-232接口模塊:用于通過(guò)RS-232接口與PC機通信,并把PC機傳來(lái)的待發(fā)射數據傳入調制模塊.

④電鍵接口模塊: 用于通過(guò)低速擴展接口連接電鍵,把電鍵輸入的數據傳入調制模塊.

⑤AC97 Audio CODEC接口模塊: 用于把AC97 Audio CODEC輸入的音頻量化數據輸入調制模塊.

⑥功能控制模塊: 用于通過(guò)低速擴展接口與人機交互功能子板相連,控制系統的各項功能.

模塊開(kāi)發(fā)的方式:

開(kāi)發(fā)方式是采用自頂而下的設計方法,首先確定該模塊中各子模塊的具體功能和相互的互連關(guān)系,然后確定各子模塊的具體參數.在確定各子模塊的具體參數和互連關(guān)系后,在Xilinx ISE Foundation中用Verilog來(lái)實(shí)現.最后用ModelSim XE-III對該模塊和其子模塊分別進(jìn)行仿真.

4.系統最終要達到的性能指標

輸出頻率范圍10MHz～150MHz,輸出阻抗50ohm,輸出功率>=10dBm. 工作溫度0~50,頻率步進(jìn)間隔1Hz,頻率穩定度1ppm(開(kāi)機后10分鐘),音頻響應范圍(-6dB)500Hz~2.5KHz,.可提供AM, FM,DSB,SSB等語(yǔ)音通信調制模式,可提供ASK,FSK,PSK等數據通信調制模式.話(huà)筒可輸入語(yǔ)音信號, 電鍵和RS—232接口輸入數字信號.PC機通過(guò)RS-232接口與本系統通信,透過(guò)PC機上的軟件,可以控制本系統的各個(gè)功能,并且可以利用PC機上的軟件進(jìn)行數據的發(fā)送.利用本系統的用戶(hù)交互模塊,可以在脫離PC機的情況下控制本系統的各個(gè)功能.

需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

①雙路DAC功能子板:利用8bit或12bit 的DAC芯片來(lái)實(shí)現.采用高速擴展接口與V2PRO硬件開(kāi)發(fā)平臺相連接.此功能子板單獨進(jìn)行設計和調試,測試通過(guò)后再和系統連接在一起.

②DDS信號發(fā)生功能子板:利用ADI公司的DDS芯片產(chǎn)生正交本地振蕩信號,與人機交互功能子板相連. 此功能子板單獨進(jìn)行設計和調試,測試通過(guò)后再和系統連接在一起.

③混頻功能子板:加法器和兩個(gè)混頻器共同構成此功能子板.與雙路DAC功能子板,DDS信號發(fā)生功能子板,寬帶放大器功能子板相連. 此功能子板單獨進(jìn)行設計和調試,測試通過(guò)后再和系統連接在一起.

④寬帶放大器功能子板:采用專(zhuān)用寬帶放大芯片構成.與混頻功能子板相連. 此功能子板單獨進(jìn)行設計和調試,測試通過(guò)后再和系統連接在一起.

⑤人機交互功能子板:采用單片機,矩陣鍵盤(pán),LCM構成,用于在脫離PC機的情況下,完成系統的控制和人機交互. 與V2PRO硬件開(kāi)發(fā)平臺通過(guò)低速擴展接口相連,與DDS信號發(fā)生功能子板相連. 此功能子板單獨進(jìn)行設計和調試,測試通過(guò)后再和系統連接在一起.

2.測試設備

指針萬(wàn)用表,數字萬(wàn)用表,200M數字示波器,200M頻譜分析儀,5V穩壓電源,20M函數信號發(fā)生器, 邏輯分析儀

3.方針、開(kāi)發(fā)工具

設計軟件包括: Xilinx ISE Foundation, ModelSim XE-III,Cadence SPB 15.7 , Synopsys Saber Z-2007 , Multisim v9 , Filter Solutions 2006 , Proteus 7.1 , AVR Studio 4, WinAVR, LabVIEW

硬件開(kāi)發(fā)平臺包括: V2PRO, BASYS