AM调制的FPGA实现

一、说明：

1. 功能：AM调制
2. 平台：Vivado 2016.4 和 Matlab R2017a

二、原理：

1. AM调制原理

• AM已调信号的时域表达式：
  

• 已调信号的频域表达式：
  
  本质上AM调制就是频谱的搬移。

• AM调制的系统框图
  
  将调制信号加上一个直流分量，保证信号的最小值大于零，然后再和载波相乘，得到已调信号。

三、AM调制的FPGA实现

1.产生调制信号和载波信号

调用ROM IP核在FPGA内部产生两路余弦信号，其中一路信号用于模拟外部输入的调制信号，另一路用作载波信号。
在配置ROM IP核之前，需要用Matlab生.coe文件，存放在ROM核里。

• Matlab生成.coe文件：

%---------------------------------%
width=8;       %设置rom的位宽
depth=1024;     %设置rom的深度
%---------------------------------%

x=linspace(0,2*pi,depth);       %在一个周期内产生depth个采样点
y_cos=cos(x);                   %生成余弦函数
%y_cos=sin(x);                   %生成正弦函数
%y_cos=round(y_cos*(2^(width-1)-1))+2^(width-1)-1;       %将数据转化成整数,生成无符号数
y_cos=round(y_cos*(2^(width-1)-1));       %将数据转化成整数,生成有符号数

plot(x,y_cos);                  %绘图

fid = fopen('E:\Workspace\DDS\Design\IP_Core\cos.coe','wt');

fprintf(fid,'memory_initialization_radix = 10;\nmemory_initialization_vector = ');
for i = 1 : depth
    if mod(i-1,8) == 0 
        fprintf(fid,'\n');
    end
    fprintf(fid,'%6d,',y_cos(i));
end

fclose(fid);                    %关闭文件

生成.coe文件后就可以进行IP核的配置了。

• ROM核具体配置：
  
  
  
  

配置完IP核后，编写控制模块，产生两路信号。其中，调制信号上叠加的直流分量的大小为调制信号的峰值，这样将得到调制度为100%的已调信号。如果要得到不同的调制度，则需要叠加不同大小的直流分量，同时需要注意定义的数据位宽，防止数据溢出。

• 产生载波和带有直流分量的调制信号：

module cos_make(
    input   clk,
    input   rst_n,
    output  reg [7:0]   cos_s,
    output  reg signed  [7:0]   cos_c
);

//------------------------------------//
parameter freq_s = 32'd429497;          //调制信号频率10k
parameter freq_c = 32'd42949673;        //载波频率1M
parameter cnt_width = 8'd32;
//------------------------------------//

//------------------------------------//
reg     [cnt_width-1:0] cnt_s = 0;
reg     [cnt_width-1:0] cnt_c = 0;
wire    [9:0]   addr_s;
wire    [9:0]   addr_c;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)  begin
        cnt_s <= 0;
        cnt_c <= 0;
    end
    else    begin
        cnt_s <= cnt_s + freq_s;
        cnt_c <= cnt_c + freq_c;
    end
end

assign  addr_s = cnt_s[cnt_width-1:cnt_width-10];
assign  addr_c = cnt_c[cnt_width-1:cnt_width-10];
//------------------------------------//

//------------调用ROM核----------------//
wire    signed  [7:0]   cos_s_r;
wire    signed  [7:0]   cos_c_r;

ROM         ROM_inst(
    .clka   (clk),
    .addra  (addr_s),
    .douta  (cos_s_r),
    .clkb   (clk),
    .addrb  (addr_c),
    .doutb  (cos_c_r)
);

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)  begin
        cos_s <= 0;
        cos_c <= 0;
    end
    else    begin
        cos_s <= cos_s_r + 8 'd128;     //加上大小为峰值的直流分量
        cos_c <= cos_c_r;
    end
end

endmodule

2.生成AM调制信号

得到两路信号后就可以用乘法器将两路信号相乘，得到已调信号。

• 乘法器具体配置：
  
  

• AM调制的顶层模块：

module modulate(
    input       clk,
    input       rst_n,
    output  signed  [15:0]  AM_mod
);

wire    [7:0]   cos_s;
wire    signed  [7:0]   cos_c;

//------------调用出波模块------------//
cos_make        cos_make_inst0(
    .clk            (clk),
    .rst_n      (rst_n),
    .cos_s      (cos_s),
    .cos_c      (cos_c)
);
//-----------------------------------//

//------------调用乘法器--------------//
MULT        MULT_inst1(     
  .CLK  (clk),
  .A        (cos_s),
  .B        (cos_c),
  .P        (AM_mod)
);

endmodule

3.仿真调制结果

以上AM调制过程基本完成，但是正确与否还需要通过仿真来确定，接下来编写仿真用的测试模块。

• TestBeach的编写：

`timescale 1ns/1ps

module tb_AM();

//---------接口设置----------//
reg     sclk;
reg     rst_n;
wire    signed  [15:0]  AM_mod;
//--------------------------//
initial     sclk = 1;
always  #5  sclk = ~sclk;      //100M时钟

initial begin
    rst_n = 0;
    #500
    rst_n = 1;
end
//--------------------------//
modulate        modulate_inst0(
    .clk        (sclk),
    .rst_n      (rst_n),
    .AM_mod     (AM_mod)
);

endmodule

在Vivado中将各个文件添加进工程后，运行仿真。

• 仿真结果如下：
  
  

已调信号能明显看到包络，并且包络的频率同调制信号一致，表明AM调制正确。