Implementation of FM modulation and demodulator based on SDR

张博，李少阳, 刘宇 (西安邮电大学电子工程学院，陕西省 西安市 710121)

摘要：提出了一种基于SDR的FM调制解调器的实现方案，此方案采用ZYNQ平台和AD9361射频收发芯片搭 建。首先介绍ZYNQ+AD9361的SDR硬件平台的设计，其次对FM调制解调的原理分析并结合MATLAB进行算 法仿真，最终在ZYNQ平台上完成SDR工程设计。

关键词：FM；AD9361；软件无线电；CORDIC；调制解调

0 引言 

    FM(Frequcncy Modulation) 调制是目前国内外 采用的较为普遍的一种调制方式。主要应用于高保真 音乐广播，对讲机，卫星通信等领域，传统的方法使 用模拟器件搭建的方式，应用最广泛的为收音机。 此方式电路结构复杂，灵活性差，抗干扰能力弱；后 来逐渐出现DSP或者FPGA与A/D结合的结构，此方 案中对ADC和DAC的要求比较高[1-2]。射频链路比较 复杂，不可灵活配置。对于战场上单兵作战通信， 飞机通信，人们对SDR要求越来越高，本文提出了在 ZYNQ+AD9361的架构上实现的FM调制与解调方案。 本方案电路结构简单，功耗低，接收和发射频点灵活 可调，高动态范围等优点，FM解调也相对于传统的锁 相环相干解调具有结构简单，抗载频失配，同时满足 解调宽带和窄带的信号[3]。

1 硬件平台 

    基于SDR的FM调制解调器的硬件平台框图如图1 所示，AD9361作为射频收发的核心芯片，接收时将射 频数据与本振混频后转换为基带数据，通过内部ADC 将模拟信号转换为数字信号，FPGA作为算法处理、系统控制的核心芯片，内部含有ARM-A9双核，主要 用于对AD9361内部寄存器的配置，以及系统参数的控制，FM调制解调算法在FPGA中的PL部分实现，该 ZYNQ+AD9361平台能够适应各种数字通信，语音通 信，本文论述主要应用军用飞机语音通信。

图1 FM调制解调器硬件平台框图

图2 ZYNQ硬件结构

1.1 主要芯片选型

图3 AD9361内部结构

图4 FM调制算法信号处理图

图5 FM解调信号处理图

    Xilinx 公司推出了新一代28 nm工艺，集成 FPGA 与 双 ARM 核，小封装、低功耗全可编程片上系统（All Programmable SoC）Zynq-7000 系列。如图2所示 ZYNQ硬件结构，在芯片内部FPGA通过AXI总线完成与 ARM的数据交互。完美的将FPGA的优势与ARM的优势 结合起来[4]。

    采用ADI公司的AD9361射频捷变收发器，作为射频收 发器，AD9361支持的频率范围在70 MMHz~6.0 GHz，涵 盖了大部分特许执照和免执照频段，支持200 kHz~56 MHz的通道带宽，AD9361集成了SDR收发器所必须 的RF、数模转换、混合信号[5]。AD9361芯片内部结 构如图3所示。AD9361内部具有两个接收和发射通路 :每个接收通路各自含有一个低噪声放大器(LNA)，相 内(I)和(Q)正交放大器、混频器、12位ADC和三级半带 滤波器以及阶数可调的FIR滤波器，三级半带可通过修 改抽取系数来达到降低速率。其中FIR滤波器可以使用 MATLAB中的FDATOOL滤波器工具产生滤波器系数， 通过软件编程写入AD9361中，应用于更多的通信带宽 中。

    发射通路与接收通路基本相同 ，基带数据被 AD9361接收到，直接进入FIR滤波器，在经过三级半 带滤波器插速之后，被DAC采样，其中DAC的采样速 率可调，通过三级半带滤波器的插速处理来满足DAC的 采样速率。最后信号分为I、Q两路进入射频模块部分与 载波混频，在经过放大器通过天线发送。

2 FM调制解调软件算法设计 

2.1 FM调制算法

    调频（FM）是载波的瞬时频率随调制信号成线性 变化的一种调制方式，音频调频信号的数学表达可以写 为：

其中， A0 为调频信号的幅度； wc 为载波角频率； (t) ν Ω 为音频调制信号； Ωk 为调制角频偏；ϕ0 为调制 信号的初始相位。把式（1）展开得：

令φ 等于式(3)并代入式(2)得式(4)

    从式(3)看到，在实现FM时要对调制信号进行积分，然 后对这积分后的信号分别取正弦和余弦即可。因此用正 交调制法实现时只须令：

    因此，调制算法信号处理如图4所示，语音信号通 过STGL5000芯片的ADC以96 kHz的速度进行采样得 到采样的信号 (t) ν Ω ，将到信号乘以调制角频偏 Ωk 并 进行累加求和，然后进行Cordic运算分别进行sin和cos 运算得到正交调制，再经过5级级联的CIC滤波器内插 20倍，经过内插后的得到1.92 MHz的信号在分别乘以 发射功率，就可以得到 I(t) 和Q(t) 的零中频的调制信 号，AD9361以1.92 MHz的速度采集 I(t) 和Q(t) 的零 中频的调制信号，经过FIR滤波器、多级半带滤波器最 终DAC以30.72 MHz的速度转化为模拟信号,在与载波 信号混频后通过天线发送[6]。

2.2 FM解调算法 

    调制信号表达式：

对信号进行正交分解得：

对正交与同相分量比值反正切运算：

然后，对相位差分，即可求得调制信号：

FM信号用正交解调方法进行解调时，也具有较强 的抗载频失配（指失配差频和差相是常量，非随机变 量）能力，本地载波与信号的载波存在频差和相差时， 同相分量和正交分量可表示为：

同样，对正交与同相分量之比值反正切及差分运 算，就可得到调制信号：

    当载波失配差频和差相是常量时，解调输出只不过 增加了一个直流分量 Δw 就可得到调制信号 m(n)[7-8]。 因此，调制算法信号处理如下图5所示，AD9361 通过天线接收到射频信号后，经过混频、ADC、多级 半带滤波器，FIR滤波器，最终FPGA以1.92MHz的速 度采集到 X (t) I 和 X (t) Q 两路中频信号，经过下变频、 CIC抽取滤波器、FIR低通滤波器变为零中频信号，在 进过cordic算法的极坐标转换得到瞬时相位，然后用前 一时刻的瞬时相位减去后一时刻的瞬时相位，就可以得 到相位差，即得到解调的有用信息[9]。但是由于本地载 波和信号载波的频差和相差，因此在将解调到的信号进 行平均得到信号的功率，并在解调的信号中减去平均功 率，就可以得到调制信号[10]。

3 性能仿真与实现 

3.1 Matlab仿真

在Matlab环境下对提出的FM调制解调算法进行了 仿真，主要仿真参数如下:

(1)调制信号幅度为5的1 KHz正弦波; 

(2)载波信号幅度为1的64 KHz正弦波；

(3)采样率为1 MHz；

 (4)FM的最大频偏为6 KHz；

 (5)仿真数据长度为4500；

     FM调制结果仿真波形如图6所示，由1 KHz的单音 调制信号，经过正交调制产生I、Q两路调制信号，最终 由I、Q两路正交信号得到最终的调制信号。

    FM解调结果仿真波形如图7所示，由调制信号经过 64 KHz下变频，在经过滤波器到零中频的I、Q两路基 带信号，在最终解调出原始信号[10]。

3.2 设计实现 

    在vivado中最终建立如图8所示的工程，在工程中调用了ARM硬核(processing system7_0)通过 SPI对AD9361的配置，用户可以通过ARM核上的串 口对AD9361的频点改变，以及配合自定义IP (axi_ interface_ctrl_0)通过AXI总线实时对FM调制系数、FM 发射功率、以及收发切换设置，使得该系统适应更多场 景使用，自定义IP(FM_TOP_0) 实现对信号的调制与解 调；自定义语音收发IP(analog_aduio_datawr_0)实现 对STGL5000芯片的数据的收发。自定义AD9361数据 收发IP(system_axi_ad9364_1_0)实现对AD9361的数 据收发。

    天线接收到信号后经过AD9361一次下变频后，通 过内部1 2位ADC转化 为数字信号，由FPGA 内部的AD9361 IP接收 到分成 I 、 Q 两路传送 到F M调制解调模块， 解调出射频信号中的音 频信号，然后通过语音 收发IP将语音信号发送 到STGL5000芯片经过 DAC转化后驱动耳机发 声，该过程实现了SDR接收过程。

    STGL5000芯片将麦克风的语音信号经过内部的 ADC转化为音频数字信号，有FPGA内部的语音收发IP 接收到，传送到FM调制解调IP中进行调制，将调制后 的信号分为I、Q两路信号，通过AD9361数据收发IP将 数据发送到AD9361芯片和本振混频后通过天线辐射到 空间中，如果用户需要更大的功率可以外接功放。该过 程实现了SDR的发射过程[11]。

3.3 设计验证 

    将如图8所示的工程综合，布局布线，生成比特 流，导入到Xilinx SDK软件中建立C工程[12]，最终编 译下载到SDR收发机的FPGA中，使用RS公司生产的 SMA180电台综合测试仪。完成接收机和发射机的测 试。

    测试FM调制时，由RS综测仪输出1KHz的正弦波作 为调制信号，将AD9361的载波信号设置为108MHz， 同时使用vivado软件下的ILA调试方法，在线测试捕获 到某一时刻的调制信号以及调制后零中频的I、Q两路信 号,如图9所示。

    测试FM解调时，由RS综合测试仪，输出载波幅度 108 MHz，功率为-53 dBm，调制信号为1 KHz的正弦 波，最大频偏为6KHz的射频信号，发送到接收机中， 同时使用vivado软件下的ILA调试方法，在线测试捕获 到某一时刻的低中频调制信号I、Q两路，经过下变频后 变为零中频I、Q两路信号，再通过解调算法解调出原始 信号，如图10所示。

4 结论 

    本文实现了基于ZYNQ+AD9361平台的FM调制解 调器，此系统具有发射频点、接收频点以及FM发射调 制角频偏可灵活配置，收发切换时间小于10ms。采用 ZYNQ系列的XC7Z020CLG484-1芯片，搭建工程，综 合后LUT资源占用616，触发器资源占用107。此平台 适用于各种ZYNQ平台具有很好的移植性，能够应用于 各种无线通信设计。

参考文献:

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 [5]AD9361 RF and BB PLL Synthesizer User Guide[EB/OL][2014-11-06](2015-09-01). http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/AD9361_Reference_ Manual_UG 570.pdf.

 [6]余莲.AD9361:基于突破性技术促进软件定义无线电应用田电子技术应用[J],2013,39(11):1.

 [7]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用.北京:电子工业出版社，2001. 

[8]Jeffrey H. Reed.软件无线电—无线电工程的现代方法[M].陈强译.北京人民邮电出版社，2004:366- 372.

 [9]张欣.扩频通信数字基带信号处理算法及其VLS工实现[M]. 北京：科学出版社，2004：57-63. 

[10]姚东,王爱民,冯峰.MTALAB命令大全[M].北京：人民邮电出版社,2000,6. 

[11]宋飞.基于FPGA的数字中频处理技术研究田」西安:西安电子科技大学,200. 

[12]陆佳华,潘祖龙,鹏竞宇.嵌入式系统硬件协同设计实战指南：基于Xilinx ZYNQ [M]北京:机械工业出版 社,2014.7. 

作者简介：

 张博(1983—),男，博士，教授，从事射频模拟集成电路研究。 

李少阳（1991-），男,硕士研究生，研究方向为集成电路。 

刘宇 (1973-)，男,硕士，高级工程师，研究方向为集成电路。