唐波,黃文玲,張靜遠(yuǎn)
?。ê\姽こ檀髮W(xué) 兵器工程系,湖北 武漢 430033)
摘要:提出了一種基于計(jì)數(shù)器原理的調(diào)頻信號(hào)解調(diào)方法,該方法以FPGA為核心,結(jié)合放大整形電路、高頻振蕩器電路以及DAC,完成對(duì)超聲以及以下頻率的調(diào)頻信號(hào)解調(diào)。該方法通過(guò)對(duì)信號(hào)周期計(jì)數(shù),然后用計(jì)數(shù)值檢索存儲(chǔ)有信號(hào)幅度值的存儲(chǔ)器,最后經(jīng)過(guò)DAC得到調(diào)制信號(hào)。
關(guān)鍵詞:計(jì)數(shù)器;調(diào)頻信號(hào);解調(diào);FPGA
中圖分類號(hào):TN76文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.023
引用格式:唐波,黃文玲,張靜遠(yuǎn).基于計(jì)數(shù)器原理的調(diào)頻信號(hào)解調(diào)方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(8):73-75.
0引言
*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11602300)對(duì)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)常采用變?nèi)荻O管等模擬元件組成的解調(diào)電路來(lái)實(shí)現(xiàn),然而模擬電路存在諸多缺陷[1]。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,F(xiàn)PGA以其強(qiáng)大的功能和豐富的資源迅速占領(lǐng)了信號(hào)處理領(lǐng)域?;谟?jì)數(shù)器原理的調(diào)頻信號(hào)解調(diào)方法就是以FPGA為核心,采用數(shù)字的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。
1基本原理
假設(shè)一調(diào)頻信號(hào)f(x),對(duì)其進(jìn)行整形放大,便可得到與調(diào)頻信號(hào)同頻的方波信號(hào)[2],如圖1所示。
在方波信號(hào)的上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),同時(shí)在上升沿輸出計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值并復(fù)位計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器輸出值用于檢索存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有相應(yīng)的信號(hào)幅度信息,存儲(chǔ)器輸出連接D/A轉(zhuǎn)換器,則可得到幅度隨輸入信號(hào)頻率變化的輸出信號(hào)。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
其中計(jì)數(shù)器主要完成對(duì)信號(hào)周期的計(jì)數(shù),對(duì)于調(diào)頻信號(hào)來(lái)說(shuō),信號(hào)瞬時(shí)周期反比與信號(hào)瞬時(shí)頻率,因此計(jì)數(shù)值可實(shí)時(shí)反映信號(hào)頻率的變化,經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)器的映射關(guān)系得到調(diào)制信號(hào)的幅度值,經(jīng)DAC變換后輸出。
其中高頻振蕩器用于產(chǎn)生高頻震蕩信號(hào),經(jīng)倍頻或分頻后得到與調(diào)頻信號(hào)頻率相匹配的計(jì)數(shù)時(shí)基。
2系統(tǒng)分析
2.1時(shí)基電路
由高頻振蕩器產(chǎn)生震蕩信號(hào),經(jīng)過(guò)倍頻或者分頻之后得到計(jì)數(shù)時(shí)基信號(hào),時(shí)基信號(hào)的選擇取決于不同信號(hào)的頻率范圍。時(shí)基信號(hào)fc的選擇通??紤]兩方面因素:調(diào)頻信號(hào)的頻率上限fmax和調(diào)頻信號(hào)的頻率下限fmin。
為了保證對(duì)信號(hào)的周期計(jì)數(shù)具有較高的精度,通常要求時(shí)基信號(hào)頻率大于信號(hào)頻率的50倍[3],即:
fc≥50fmax(1)
同時(shí),計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)作為存儲(chǔ)器的地址信號(hào),用于檢索相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)幅度值,因此計(jì)數(shù)器的輸出值vc最大值受到存儲(chǔ)器存儲(chǔ)深度dm的限制,即:
2.2計(jì)數(shù)器
計(jì)數(shù)器對(duì)計(jì)數(shù)值輸出、計(jì)數(shù)啟動(dòng)、計(jì)數(shù)復(fù)位采用相同的觸發(fā)源,均在方波信號(hào)的上升沿觸發(fā)。因此計(jì)數(shù)器每個(gè)上升沿的輸出值反映的都是信號(hào)周期的時(shí)間,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)基信號(hào)頻率為fc,因此計(jì)數(shù)器的輸出值vc可表示為:
計(jì)數(shù)器的輸出值反映的是調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律,當(dāng)調(diào)制信號(hào)幅度減小時(shí),計(jì)數(shù)器的輸出值增大,反之,則減小。
2.3存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有調(diào)制信號(hào)的幅度值,它的主要功能是完成計(jì)數(shù)值到調(diào)制信號(hào)幅度值的映射,即以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值作為地址信號(hào),檢索相對(duì)應(yīng)的幅度值。對(duì)于計(jì)數(shù)器來(lái)說(shuō),計(jì)數(shù)值與調(diào)制信號(hào)幅度是成反比的,因此存儲(chǔ)器中高圖4系統(tǒng)電路原理圖位地址存儲(chǔ)的是信號(hào)的小幅度值,低位地址則存儲(chǔ)信號(hào)的大幅度值。因此當(dāng)輸入信號(hào)頻率降低的時(shí)候,在存儲(chǔ)器的輸出端得到較小的信號(hào)幅度值,反之則得到較大的信號(hào)幅度值。經(jīng)過(guò)DAC之后就可以得到調(diào)制信號(hào)。
3誤差分析
由以上分析可知,計(jì)數(shù)值反映的是信號(hào)頻率的變化規(guī)律,因此式(4)可以表示為:
f=fcvc
則信號(hào)頻率的相對(duì)誤差可以表示為:
dff=dfcfc-dvcvc
則極限情況下的最大誤差為:
其中,dfcfc為計(jì)數(shù)時(shí)基信號(hào)的誤差,它代表了高頻振蕩器的頻率穩(wěn)定度;dvcvc為計(jì)數(shù)值相對(duì)誤差,即量化誤差[4]。
對(duì)于高頻震蕩器來(lái)說(shuō),精度均在10-4以上,則對(duì)于10 MHz的振蕩器來(lái)說(shuō),dfcfc≤10-11;而計(jì)數(shù)值相對(duì)誤差dvcvc則取決于時(shí)基信號(hào)的頻率以及輸入信號(hào)的頻率,如圖3所示。
圖3計(jì)數(shù)誤差原理由圖3可以看出,采用計(jì)數(shù)器對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù),總會(huì)存在一個(gè)±1個(gè)計(jì)數(shù)周期的誤差,則有:
顯然,增大計(jì)數(shù)時(shí)基頻率與信號(hào)頻率之間的差別可以有效地減小系統(tǒng)誤差。
4電路實(shí)現(xiàn)
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,以FPGA為核心的各種信號(hào)處理系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),由于豐富的片上資源,使得系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化[5]。在該系統(tǒng)中,F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)倍頻/分頻、計(jì)數(shù)器以及存儲(chǔ)器的功能,系統(tǒng)電路原理如圖4所示。
由圖4可以看出,前端模擬電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大整形,即將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成能被FPGA接收的方波信號(hào),在FPGA中以一定的計(jì)數(shù)時(shí)基完成對(duì)信號(hào)周期的計(jì)數(shù),并以計(jì)數(shù)結(jié)果作為存儲(chǔ)器的地址信號(hào)讀出存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的調(diào)制信號(hào)幅度,最后經(jīng)過(guò)DAC將離散的調(diào)制信號(hào)幅度值轉(zhuǎn)換成模擬的調(diào)制信號(hào),從而完成對(duì)信號(hào)的解調(diào)。
5結(jié)論
由以上分析可知,只要針對(duì)輸入信號(hào)的頻率范圍選取合適的計(jì)數(shù)時(shí)基,就可以以較高的精度實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào),而且通過(guò)增大存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)深度可以從整體上提高系統(tǒng)的精度。該系統(tǒng)使用方便,參數(shù)修改靈活,可以在不做硬件改動(dòng)的情況下適應(yīng)不同頻段信號(hào)的解調(diào)。
參考文獻(xiàn)
?。?] 陳科山, 王燕. 現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)[M]. 北京:北京大學(xué)出版社, 2011.
?。?] 田坦, 劉國(guó)枝, 孫大軍. 聲吶技術(shù)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2006.
?。?] 王紹卿. 魚雷近炸引信原理與設(shè)計(jì)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1992.
?。?] 申忠如, 郭福田, 丁暉. 現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 西安:西安交通大些出版社, 2014.
?。?] 朱明程. FPGA原理及應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 1994.