布剛剛

一種FM信號調(diào)制解調(diào)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法研究

布剛剛

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

針對陸軍某通信電臺應(yīng)用需求，本文提出了一種基于軟件無線電設(shè)計思想的FM信號調(diào)制解調(diào)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法，給出了數(shù)字化實(shí)現(xiàn)FM信號調(diào)制解調(diào)的原理架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)步驟，并與傳統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行對比，最后對數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該方法已實(shí)際應(yīng)用于項(xiàng)目，性能達(dá)到了軍標(biāo)要求。

FM調(diào)制解調(diào)；數(shù)字化實(shí)現(xiàn)；電臺

0 引言

隨著軟件無線電理念的興起與數(shù)字器件水平的不斷進(jìn)步，數(shù)字器件的資源及處理能力不斷增強(qiáng)，越來越多的功能可以部署在數(shù)字器件上實(shí)現(xiàn)[1]。調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）信號在電臺有著重要的應(yīng)用[2]。本文著重研究了FM信號的調(diào)制解調(diào)在數(shù)字器件中的實(shí)現(xiàn)方法，對實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，采用相位累加字計算控制數(shù)字頻率合成器（Direct Digtital Synthesizer，DDS）完成了FM信號的數(shù)字調(diào)制，采用正交下變頻信號差分的方式完成FM信號數(shù)字解調(diào)，并且基于大規(guī)模高速FPGA完成了數(shù)字調(diào)制和解調(diào)算法，在某電臺項(xiàng)目得到了成功應(yīng)用。基本可以達(dá)到接收機(jī)硬件平臺化、軟件可配置、功能可擴(kuò)展的軟件無線電目標(biāo)，經(jīng)過實(shí)測設(shè)備的FM接收靈敏度達(dá)到了-113 dBm的軍標(biāo)要求。

1 FM信號調(diào)制解調(diào)算法及離散域?qū)崿F(xiàn)

FM調(diào)制信號解析形式如式（1）所示：

可以得到：

2 FM傳統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)方式及數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方式

2.1 FM信號調(diào)制過程

模擬調(diào)制過程如圖1所示。設(shè)備采用模擬方式實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制時，采用相位檢測器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器來實(shí)現(xiàn)，話音信號經(jīng)過話音電路調(diào)理后直接控制壓控振蕩器，壓控振蕩器的輸出反饋給相位檢測器，通過不斷迭代檢測最終輸出穩(wěn)定的調(diào)頻信號，最后通過信道完成上變頻，經(jīng)過功放放大后輸出。

FM信號數(shù)字化的調(diào)制過程如圖2所示。

圖1 設(shè)備FM模擬調(diào)制架構(gòu)

圖2 設(shè)備FM數(shù)字調(diào)制架構(gòu)

電臺設(shè)備中FM信號的調(diào)制源來自于話音接口，調(diào)制信號經(jīng)過話音模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Conversion，ADC）采樣后可通過SPI接口傳送給信號處理FPGA，在信號處理FPGA中完成FM信號調(diào)制，完成調(diào)制后再經(jīng)過信道模塊完成上變頻輸出給功放最終輸出。

2.2 FM信號解調(diào)過程

傳統(tǒng)模擬方式如圖3所示。信號經(jīng)過信道下變頻后首先進(jìn)入帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后進(jìn)行限幅處理，之后進(jìn)入微分電路和包絡(luò)檢波進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的結(jié)果經(jīng)過低通濾波后通過話音電路輸出。

FM信號數(shù)字化的解調(diào)過程如圖4所示。

圖3 設(shè)備模擬FM解調(diào)架構(gòu)

圖4 設(shè)備數(shù)字化FM解調(diào)架構(gòu)

數(shù)字化方式解調(diào)FM信號，第一步需要將接收到的模擬FM調(diào)制信號下變頻到基帶[5]，在基帶按式（6）描述的算法解調(diào)后根據(jù)輸出數(shù)據(jù)速率的要求可進(jìn)行抽取或者插值輸出。輸入信號經(jīng)ADC采樣后，首先進(jìn)行正交下變頻，下變頻后進(jìn)行低通濾波，低通濾波后的I/Q信號進(jìn)入FM鑒頻模塊進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)方式如式（6）提到的鑒頻解調(diào)算法。

在設(shè)備數(shù)字化解調(diào)過程中，由于集成化的特點(diǎn)，通用的中頻的采樣率可能會遠(yuǎn)大于FM基帶信號的帶寬，F(xiàn)M解調(diào)得到的基帶信號通常會降低采樣率后輸出給話音模塊，解調(diào)得到基帶信號后可通過調(diào)用多級CIC濾波器抽取或插值，得到最終輸出要求的采樣率。對比圖1～圖4可以看出，相比于傳統(tǒng)的模擬調(diào)制解調(diào)，數(shù)字化調(diào)制解調(diào)的核心處理部分全部在FPGA中完成，采用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)后，設(shè)備可以根據(jù)功能需要在FPGA中部署不同的軟件，使得設(shè)備硬件平臺更加通用，功能切換更為靈活。

3 仿真及設(shè)備驗(yàn)證

圖5 FM基帶調(diào)制信號

調(diào)制完成信號上變頻到中頻后，加20 dB噪聲得到FM接收端收到的信號頻譜如圖6所示。

圖6 接收端收到的FM信號頻譜

下變頻、濾波、解調(diào)可得解調(diào)的結(jié)果如圖7所示。

圖7 解調(diào)后最終輸出的FM信號

設(shè)備綜合后的解調(diào)原理圖如圖8所示。

圖8 綜合后的FM解調(diào)原理圖

通過算法仿真與設(shè)備驗(yàn)證，可以看到本文給出了FM信號調(diào)制解調(diào)方法是有效的。

采用數(shù)字化的調(diào)制解調(diào)方式最終在設(shè)備經(jīng)過實(shí)際測試，F(xiàn)M接收靈敏度優(yōu)于-113 dBm，優(yōu)于軍用電臺中對FM接收靈敏度的軍標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文對FM信號的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行介紹，對FM信號的調(diào)制解調(diào)算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并給出了相應(yīng)算法在離散域的對應(yīng)形式，給出了在設(shè)備中使用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)FM信號調(diào)制解調(diào)的過程方法，并對實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并成功應(yīng)用于某電臺項(xiàng)目，經(jīng)過實(shí)際比測，數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)方式使得設(shè)備接收靈敏度優(yōu)于軍標(biāo)要求。

[1] 楊小牛，樓才義，徐建良. 軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2] 曹志剛. 現(xiàn)代通信原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[3] 秦明偉，李德建，姚遠(yuǎn)程. 軟件無線電數(shù)字下變頻及抽取技術(shù)研究[J]. 通信技術(shù)，2008（9）.

[4] 王忠思，黃輝，周亞民. 軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)分析[J].信息通信，2011（6）.

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Research on Digital Realization Method of FM Modulation and Demodulation

BU Ganggang

For the application demand of army communication station, a digital realization method of FM signal modulation and demodulation is proposed in the paper based on software radio design method. The principle and realization algorithm of digital realization for FM modulation and demodulation is given. In the simulation, the performance of our new proposed digital method is verified by comparing with the traditional analog method. Simulation results show that the new proposed method meets the military standard requirements.

FM Modulation and Demodulation; Digital Implementation; Radio

TN911

A

1674-7976-(2021)-04-306-04

2021-03-08。布剛剛（1986.07-），陜西咸陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號處理。