HF/VHF数字调制多功能发射机，附完整硬件方案和器件选型
项目背景及可行性分析
1.. 项目名称: HF/VHF数字调制多功能发射机
2.. 项目的主要内容及目前的进展情况:
本项目主要的内容是:设计制作一台能工作在HF及VHF波段的数字调制发射机,能提供AM, FM,DSB,SSB等语音通信调制模式,及ASK,FSK,PSK等数据通信调制模式. 话筒输入的语音信号经 AC97 Audio CODEC 编码后输入FPGA进行数字调制, 电键和RS—232接口输入的数字信号经FPGA进行数字调制,各种调制模式能在瞬间互相切换.
目前的进展情况:本项目已通过可行性论证,证实方案可行.现在正在进行子模块的功能划分,以及子模块性能参数的初步确定.
3.. 项目关键技术及创新点的论述:
本项目的关键技术是:数字实时调制;FPGA乘法器的复用;双路DAC正交输出;DDS和FPGA的综合运用.
数字实时调制,要求对FPGA的逻辑资源有深入的了解.通过合理设计逻辑电路,运用流水线技术,提高FPGA的信号处理速度,以满足数字实时调制对FPGA处理速度的严苛要求.
由于FPGA的乘法器数量有限,通过逻辑单元构成乘法器则会消耗大量的逻辑单元,不但不符合对成本效益的要求,而且这样往往也不能满足多调制模式数字调制器对乘法器的庞大需求.在设计多调制模式数字调制器时必须考虑如何把有限的乘法器通过复用来减少对乘法器的需求,尽可能利用FPGA内部的乘法器,而不利用逻辑单元来构成乘法器.若用DSP芯片来实现多调制模式数字调制器, DSP芯片内部的乘法器在程序运行时就能得到复用,因此在实现多调制模式数字调制器的时候往往采用DSP芯片的方案而不采用FPGA的方案.
双路DAC正交输出与后面的DDS,两路混频器和加发器共同构成镜像抑制混频器,用于把DAC输出的信号进行频率的搬移,以满足输出信号覆盖HF和VHF频段的设计要求.由于两路DAC后接的LPF的相频特性不可能完全一致,因此在FPGA中必须考虑增加补偿算法.
本项目的创新点在于:通过对各种调制模式Verilog实现的改进,在保证满足实时调制的情况下,复用乘法器,把逻辑单元的消耗减少到最低,从而减少系统的功耗.空余的逻辑单元为后继的系统升级留下足够的逻辑单元资源.并且可以提供比多DSP芯片方案更高的可靠性和集成度,符合现代消费电子产品对体积的严苛要求.
利用DDS+FPGA数字调制方案,相对于市面上消费通讯产品大量采用的模拟调制方案,具有可靠性高,抗干扰能力强,体积小,调试容易,设备升级容易等优点.
4.. 技术成熟性和可靠性论述：
技术成熟性:
以DAC+FPGA的基本方案为基础.配合DDS专用芯片产生正交本地振荡信号,利用AC97 Audio CODEC进行音频信号的采样与编码,采用RS-232接口与PC机进行通讯,以MCU,LCD,键盘作为人机交互界面.以上这些是本系统的主要组成模块,它们都具有高成熟性的特点,采用这些模块构成的设备现正被大量生产和销售,因此本系统所采用的基本技术是十分成熟的.
技术可靠性:
本设计项目以V2PRO硬件开发平台为基础,配合双路DAC,DDS信号发生,混频电路,以及宽带放大器,人机交互模块构成. V2PRO硬件开发平台具有集成度高,扩展容易的特点,还集成有AC97 Audio CODEC和稳压供电电路,因而V2PRO硬件开发平台具有高可靠性的特点.
双路DAC,DDS信号发生器,宽带放大器均采用专用芯片构成,混频电路则采用混频器模块, 人机交互模块没有采用FPGA内部的PowerPC来完成,主要是基于EMI/EMC的考虑,避免把外部的干扰引入FPGA影响系统输出信号的质量. 人机交互模块采用工业级的具有相当抗干扰能力的单片机,程序采用代码陷阱等方法提高抗干扰能力, 人机交互模块的电路严格按照EMI/EMC的要求设计,增加各种抗干扰电路,并且在经过充分测试后才接入系统.上述电路由于大量采用专用芯片和模块来代替分立元件电路以及以严谨的精神进行设计,因此具有可靠性高,调试容易,体积小巧等优点.
项目实施方案
1.方案基本功能框图及描述:
①话筒输入的语音信号经 AC97 Audio CODEC 编码后输入FPGA进行数字调制,可提供AM, FM,DSB,SSB等语音通信调制模式.
②电键和RS—232接口输入的数字信号经FPGA进行数字调制,可提供ASK,FSK,PSK等数据通信调制模式.
③实时的高速数字信号调制通过FPGA来实现,各种调制模式能在瞬间互相切换.
④两组DAC在FPGA的控制下可输出正交的已调制信号.
⑤两组DAC后接LC低通滤波器,用于滤除高次谐波.
⑥DDS,两组混频电路,以及加法器用于改变最终输出信号的频率.
⑦加法器后接的放大器用于缓冲和放大最终的输出信号.
⑧单片机,LCD,键盘构成人机交互模块,用于在脱离PC机的情况下,控制系统的所有功能.
2.需要的开发平台:
①实现本方案所需要的基本功能、功能、接口
实现本方案需要FPGA具有足够多的逻辑单元,并且具有16位或以上数量足够多的乘法器,用于实现DSP算法. 具有高速扩展接口,用于连接两路DAC. 具有低速扩展接口,用于连接人机交互模块和电键.具有AC97 Audio CODEC,用于对话筒输入的语音信号进行编码.具有RS-232端口,用于与PC机相连.具有稳压供电电路,以便接上5V电源即可正常工作,简化整个系统供电电路的设计.具有高速时钟源电路,为FPGA和外部的DAC提供时钟源.
②所需要的目标FPGA开发平台，简述为什么需要此平台
所需要的目标FPGA开发平台是V2PRO,因为本项目要求FPGA具有16位或以上数量足够多的乘法器,需要有AC97 Audio CODEC, RS-232端口, 高速扩展接口, 低速扩展接口,高速时钟源电路,独立的稳压供电电路.
③是否需要其它配套的开发工具
除了Xilinx ISE Foundation, ModelSim XE-III外,还需要LabVIEW用于开发PC机上的RS-232通信控制软件.
3.方案实施过程中需要开发的模块
需要开发的FPGA模块包括:
①DAC输出模块:用于把调制模块输出信号的通过高速扩展接口输出到DAC和控制DAC的工作状态.
②调制模块:用于完成AM,FM,DSB,SSB, ASK,FSK,PSK,的实时数字调制.
③RS-232接口模块:用于通过RS-232接口与PC机通信,并把PC机传来的待发射数据传入调制模块.
④电键接口模块: 用于通过低速扩展接口连接电键,把电键输入的数据传入调制模块.
⑤AC97 Audio CODEC接口模块: 用于把AC97 Audio CODEC输入的音频量化数据输入调制模块.
⑥功能控制模块: 用于通过低速扩展接口与人机交互功能子板相连,控制系统的各项功能.
模块开发的方式:
开发方式是采用自顶而下的设计方法,首先确定该模块中各子模块的具体功能和相互的互连关系,然后确定各子模块的具体参数.在确定各子模块的具体参数和互连关系后,在Xilinx ISE Foundation中用Verilog来实现.最后用ModelSim XE-III对该模块和其子模块分别进行仿真.
4.系统最终要达到的性能指标
输出频率范围10MHz～150MHz,输出阻抗50ohm,输出功率>=10dBm. 工作温度0~50,频率步进间隔1Hz,频率稳定度1ppm(开机后10分钟),音频响应范围(-6dB)500Hz~2.5KHz,.可提供AM, FM,DSB,SSB等语音通信调制模式,可提供ASK,FSK,PSK等数据通信调制模式.话筒可输入语音信号, 电键和RS—232接口输入数字信号.PC机通过RS-232接口与本系统通信,透过PC机上的软件,可以控制本系统的各个功能,并且可以利用PC机上的软件进行数据的发送.利用本系统的用户交互模块,可以在脱离PC机的情况下控制本系统的各个功能.
需要的其它资源
1.设计输入输出功能子板
①双路DAC功能子板:利用8bit或12bit 的DAC芯片来实现.采用高速扩展接口与V2PRO硬件开发平台相连接.此功能子板单独进行设计和调试,测试通过后再和系统连接在一起.
②DDS信号发生功能子板:利用ADI公司的DDS芯片产生正交本地振荡信号,与人机交互功能子板相连. 此功能子板单独进行设计和调试,测试通过后再和系统连接在一起.
③混频功能子板:加法器和两个混频器共同构成此功能子板.与双路DAC功能子板,DDS信号发生功能子板,宽带放大器功能子板相连. 此功能子板单独进行设计和调试,测试通过后再和系统连接在一起.
④宽带放大器功能子板:采用专用宽带放大芯片构成.与混频功能子板相连. 此功能子板单独进行设计和调试,测试通过后再和系统连接在一起.
⑤人机交互功能子板:采用单片机,矩阵键盘,LCM构成,用于在脱离PC机的情况下,完成系统的控制和人机交互. 与V2PRO硬件开发平台通过低速扩展接口相连,与DDS信号发生功能子板相连. 此功能子板单独进行设计和调试,测试通过后再和系统连接在一起.
2.测试设备
指针万用表,数字万用表,200M数字示波器,200M频谱分析仪,5V稳压电源,20M函数信号发生器, 逻辑分析仪
3.方针、开发工具
设计软件包括: 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
硬件开发平台包括: V2PRO, BASYS
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