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FPGA 数字信号处理之 FSK 调制、解调的实现与仿真基于 verilog (代码整理后)保姆级

2022-05-30 23:03 作者:javaisone  | 我要投稿

发过一次,没注意代码格式,显得有点乱,影响小伙伴们阅读...

没找到重新编辑的地方,现在重新整理,将代码放入代码段格式现在,同时,发现可能会少图片(对照前一把,已经补了两张)影响小伙伴复现实验,故上一篇未删,又重新发一次,若发现阅读过程中有断篇感觉时,可参考前一篇。

试验说明:

笔者复现FSK调制、解调的过程中,在网上查了很多很多相关文章,至少在本文之前,没发现能在参考一篇博文的情况下能完整复现实验结果的。总之,全乎的基本没有。

本笔记(文)的目标是让入门者或者说小白在参考本文的基础上,能一步一步完整复现实验结果,少走弯路,尽力节省时间,因为时间很宝贵。

另:本实验只是复现参考博文的结果,有关概念、原理相关知识请参考原文。
主要参考博文链接如下:
https://bestfpga.blog.csdn.net/article/details/81166187

实验目标:

达成和博文中最终仿真结果基本一致,先看一下本次实验的最终的仿真结果吧!


FSK是利用载波的频率表示基带信息,比如在2FSK系统中,采用单频信号f1表示信息0、单频信号f2表示信息1。根据码元转换时载波的相位是否连续,分为非连续相位FSK和连续相位FSK。–摘自参考博文。

注意:
非连续相位调制没试验复现,只试验了连续相位调制(CPFSK)。

FSK调制信号生成步骤

简单说明:
在ISE14.7的环境下,完成2FSK(CPFSK)的调制,并进行仿真,系统时钟32Mhz,码元速率1Mhz,载波频率6Mhz,频移指数h=3.5,f1=4.25MHz、f2=7.75Mhz

连续相位调制时,配置1个DDS产生两个代表1和0的单频信号(要调制–非连续相位的要产生2个信号)即可,非连续相位的内容具体参考原文。
将DDS的无杂散动态范围设置为95dB,对应的位宽为16bits。

有关概念、原理相关知识请参考原文
下面为本次实验的详细记录:
首先:

DDS IP核的配置过程:

ISE14.7新建工程:


注意:器件选择高端点的,在试验过程中被坑过,因为器件选的低。

工程建立后,添加DDS IP核:


上图中,指定IP的名称和存放路径


上图指定了DDS 版本


上图参数简要说明:

DDS的频率分辨率设置为976.5625Hz,正好对应相位位宽为15Bits
(Fs/2^B
=32MHz/2^15=976.5625Hz)。
因此
f1=4.25MHz对应的频率控制字为4351(f1/976.5625-1=4351);
f2=7.75MHz对应的频率控制字为7935(f2/976.5625-1=7935)

本实验使用连续相位FSK(CPFSK)只需要使用一个DDS Compiler IP核,比FSK要节省不少资源。
故省略了参考博文中的----非连续相位的试验。

因此,CPFSK配置如下:


注意上图参数


生成后到工程内找到ipcore_dir目录,复制文件dds_cpfsk2.v 放入modelsim工程模板的src目录备用。
此时,也可单独仿真,看一下FSK调制的结果,具体仿真步骤可参考后面的说明。

CPFSK (连续相位FSK)调制的仿真结果:


FSK调制部分,也提供了单独的仿真文件,也详细见后面的说明。

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FSK解调部分实验

首先
要生成滤波器的coe文件供ISE中配置滤波器时调用。
使用matlab配置、滤波器COE文件步骤如下:
打开matlab2018b

在命令行窗口输入:fdatool


开始配置带通滤波器(演示一个,其它的方法和步骤一样):


简要说明一下:
带通滤波器分别筛选两路ASK信号。
系统时钟32Mhz,
码元速率1Mhz,
载波频率6Mhz,
频移指数h=3.5,
f1=4.25Mhz,
f2=7.75MHz。
带通滤波器通带可分别选为:
A:(6Mhz-h×1Mhz)–6Mhz。
B:6Mhz–(6MHz+h×1Mhz)。
因此带通滤波器A的配置如上图所示。配置完成后,就可以导出coe文件了。

导出coe文件:
第一步:


第二步:见上图,先选择左侧第三个图标量化后,即可。
再选择:上面的菜单栏Targets–>XILINX (.COE) File
保存到指定目录即可。

B的配置、导出COE文件的方法同A----即上图,这里省略截图了。

低通滤波器的配置:


低通滤波器用于提取出基带信号包络,截止频率设置为码元速率即可。COE文件导出方式如前文描述。
注:
如果在上一步的导出COE界面,点击红色箭头即可返回参数配置界面。

至此,所有的滤波器系数经过量化后存储为txt(coe)文件,供后面在FPGA设计中调用。
全部完成后,生成的COE文件共3个:
bpf1_fir.coe、bpf2_fir.coe、lpf_fir.coe
名字随意,自己记得清即可。

ISE14.7配置IP核:

新建工程,关键步骤如下:
注意下面的器件选择


添加、配置带通滤波器其中-1个的步骤:


选择COE文件,matlab中生成:

输入采用频率和系统时钟:
都是32MHz

输出位数:32
同时选择截断模式


如上图,之前用的6系列的器件这个红框+红圈的地方提示参数错误。应该是6系器件的DSP资源不足导致无法配置。
因此前面说新建工程时要选择一个高端点的器件。


至此,配置就完成了,点击“Generate”,生成IP核即可。

bpf2_fir配置方法和步骤一样(略过)

lpf_fir的配置方法和步骤也一样(略过)

全部生成后,到ipcore_dir目录内,复制文件
bpf1_fir.mif bpf1_fir.mif lpf_fir.mif 该文件放入modelsim工程模板的sim目录
bpf1_fir.v bpf2_fir.v 、lpf_fir.v 该文件放入modelsim工程模板的src目录

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开始仿真

modelsim工程结构:

目录结构说明:
首先是:
run_simulation.bat 脚本文件启动仿真,内容如下:

src目录内---- 存源文件
包括:生成的.v文件,仿真时少的库文件等。
注意:
此目录内,除了自己实现的文件及上面配置时生成的文件,同时,在仿真编译时,注意看报错提示,若是缺少文件,自行搜索复制到该目录内即可。

sim目录内— 存激励文件和2个do文件及1个ini文件
两个do文件,其中,
wave.do文件内容:

compile.do文件内容:

Modelsim.ini文件内容:(删了注释描述,要不太长了)

最后附上调制、解调文件和激励文件如下:

cpfsk_modulate_demodulate.v,该文件放入src目录内,文件内容:

激励文件
cpfsk_modulate_demodulate_tb.v,该文件放sim目录中,内容如下:


最终仿真结果:

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附录:

仿真工程里,还提供了单独仿真FSK调制的文件和激励文件,也可在cpfsk_modulate_demodulate.v中只仿真查看fsk输出,这种方式具体见cpfsk_modulate_demodulate.v文件中注释部分描述。

先看单独的实现:

FSK调制信号的仿真

digital_adds.v和digital_adds_tb.v文件即可

digital_adds.v文件内容:


digital_adds_tb.v文件内容:


仿真时,注意还要修改2个do文件。
wave.do修改如下:


compile.do修改如下:


另,仿真时可能报类似如下的错误:

Module ‘RAMB36E1’ is not defined.

解决办法:
搜索ISE安装目录下同名的.v文件,到modelsim工程模板的src目录即可。

缺少其他文件之类的(注意看编译时的错误提示信息确定是否缺少文件问题),也可这么操作。

结束语

不夸张的话,这应该是全网最详细的关于FSK调制与解调的笔记了,如果看到这里还没复现实验结果,只有两种可能
1 没有仔细看笔记
2 工具和环境问题

本次实验环境和工具说明:
1 win10 专业版 64bits
2 ISE14.7 或 vivado2018.3
3 Modelsim 2020.4 或10.1a
4 matlab2008b

猜测一下,如果复现实验的过程真有坑话,也可能是在modelsim编译、仿真这里出问题,若一语成谶,就不要借鉴文中的方法,老老实实的自行打开modelsim,一步一步的按常规做法,新建项目,添加文件…等,去完成编译和仿真查看波形,具体可自行网络查阅。

能看到末了这的,说明我们有缘分啊,浪费你一秒的时间,给个鼓励,点关注,下次更新不迷路。


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