AM解调 FPGA（寻找复刻电赛电赛D题的）

设计平台

• Quartus II10.3
• mif产生工具
• modelsimSE （仿真用）

DDS（直接数字式频率合成器）

从前面的内容可知，我们需要产生一个载波，并且在仿真时，我们还需要一个较低频率的正弦波信号来充当我们的调制信号，但FPGA要怎么去生成一个正弦波呢？答案是利用DDS。

• DDS是什么呢？

Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成器。以这个项目为例，简单来说，就是可以利用FPGA上的资源，来输入一定的频率控制字（控制具体产生频率），从而来生成一定的正弦/余弦波，有些也可以输出相位。

在Quartus II 中 有自带的DDS生成工具（NCO），在IP核向导 MegaWizard Plug-In Manager中可以找到该IP核，如图：

quartus II 中的DDS 内核 （NCO）

但在本次设计中，我们采用写ROM的形式来实现我们的DDS。

• 如何来写ROM？
  在quartus的ROM设置向导中（只需在上面的图片中搜索rom，选择1port的即可），有以下设置：

ROM_PIC1

ROM_PIC2

其中，
1：
是设置ROM的位宽，以及深度，在这里我们选择8bits的位宽，256bits的深度，这个选项要和待会给ROM初始化文件mif的数据的宽度，深度有关，要和mif文件的内容相匹配。
2：
选择block memory的类型。在这里我们不对这些类型进行讨论，选择自动。
3：
选择给输入，输出的时钟是同一个，还是两个不同的时钟。我们选择一个时钟Single clock。
4：
位于ROM Wizard界面的第三页中的Men Init中，这是是添加一个ROM初始化文件xx.mif，以便来初始化ROM中的数据内容。mif文件也有一定的格式，一般可以通过MATLAB，或者其他mif格式生成工具来生成（网上已经有很多关于mif文件生成的代码或者软件，请自行寻找，此处不作介绍）。

mif文件的格式以及部分解释如下：

DEPTH = 256;		//深度
WIDTH = 8;		//宽度
ADDRESS_RADIX = HEX;  //地址输入的数据格式
DATA_RADIX = HEX;        //数据的数据格式
CONTENT 		//初始化开始 格式为： [address] : [ data ];
	BEGIN
0000 : 0080;
0001 : 008C;
0002 : 0098;
0003 : 00A5;
0004 : 00B0;
0005 : 00BC;
...
...
...
...
[final address] : 0073;
END ;		//初始化结束，深度多少，就有多少行初始化描述

完成以上4步之后就可以点击Next按钮，在EDA界面勾选上Generate netlist选项，继续next：

ROM_PIC3

我们可以在这个界面来选择我们最后生成的文件类型，这里我选择勾选inist的文件，方便我们调用，完成后即可点击finish完成ROMIP核的设置：

ROM_PIC4

接着在界面左边的Files中就可以找到我们生成的ROM了：

Files中的ROM文件

点开rom.v文件，复制模块开头的端口描述语句，就可以进行调用啦：

module sigan_rom (
	address,
	clock,
	q);
 
//例化模板：
sigan_rom  yourRomName(
	.address(),//[7:0]
	.clock(),
	.q()//[7:0]
	);

以上，ROM的配置介绍就到此结束。

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调制信号发生模块

新建一个项目，选择好自己的器件之后，新建一个Verilog文件，取名为：modelsim_signal_generator（大家可以自己随意取名，知道是什么模块就行）

开写！那我们需要什么内容呢？
我们现在想要得到的是一个比较低频的正弦波调制信号，那我们应该怎么去规定这个频率呢？
回到DDS上，DDS生成一个波形靠的是地址按一定步进变化之后，输出的数据流组成的。我们刚才创建的ROM核也有一个addr的地址输入端，于是，我们自然而然地可以想到”输入一定步进的地址，输出一定频率的波形“。我们把这个一定步进叫做频率控制字（也有叫相位控制字）。具体的频率控制字（PINC）公式如下，在此不展开详解：

����=�������∗����2����ℎ+2

其中，Fsystem为系统时钟，Fout为DDS输出的正弦波频率，PINC为频率控制字，depth为ROM的深度。

具体代码实现如下：

//module name : modelsim_signal_generator
//module function:generate a signal for simulation
//author: wataru
//2021.11.16
module modelsim_signal_generator(
	input clk,
	input rst,
	output [7:0] signal
 
);
 
parameter PINC = 8'd3;//freqCtrlWord;fsys = 50MHZ,fout ~=146_484.375Hz 
reg[7:0] cnt;	//	pinc_cnt,counter
wire[7:0] addr;//Rom address_in 
//addr cnt
always@(posedge clk,posedge rst)begin
	if(rst)begin
		cnt <= 8'd0;
	end// if
	else begin
		cnt <= cnt + PINC; //addr ++
	end//else
end
 
assign addr = cnt;
//---------------------------
//rom 
sigan_rom  siganRom(
	.address(addr),//[7:0]
	.clock(clk),
	.q(signal)//[7:0]
	);
endmodule//modelsim_signal_generator

同理，我们也可以利用此代码产生一个载波：

//module name :carrier_generator
//module function : carrier generate
//author:wataru
//2021.11.16
module carrier_generator(
	input clk,
	input rst,
	output[7:0] carrier
);
 
 
parameter PINC_cARRIER = 8'd42;//freqCtrlWord
reg[7:0] cntCarrier;	//	pinc_cnt
wire[7:0] addrCarrier;//Rom address_in
//addr cnt
always@(posedge clk,posedge rst)begin
	if(rst)begin
		cntCarrier <= 8'd0;
	end// if
	else begin
		cntCarrier <= cntCarrier + PINC_cARRIER;
	end//else
end
 
assign addrCarrier = cntCarrier;
//-----------------------------
//rom 
sigan_rom  carrierRom(
	.address(addrCarrier),//[7:0]
	.clock(clk),
	.q(carrier)//[7:0]
	);
	
endmodule

至此，我们编写的模拟的调制波，载波已经描述完毕。

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AM调制

AM调制可以通过一个乘法器来实现，非常简单。调用乘法器IP核：

LPM_MULT

乘法器模块部分设置，输出为Signed，即有符号数

数据位宽

文件输出选项

完成MULT乘法器创建之后，我们就可以把模块链接起来，创建一个AM调制波啦，顶层代码如下：

//module :top
//module function:only used for simulation
//author:wataru
//2021.11.16
module ammodtest(
						input 		 clk,
						input 		 rst,
						output[7:0] INsignal,
						output[7:0] carrier,
						output[15:0] ammodOut
);
 
wire[7:0] INsignal_temp;
wire[7:0] carrier_temp;
wire[15:0] ammodOut_temp;
//signal_in
modelsim_signal_generator signalIn(
	.clk(clk),
	.rst(rst),
	.signal(INsignal_temp)//unsigned
 
);
assign INsignal = INsignal_temp - 8'd127;//因为我的mif文件是无符号数的，要去掉一定的直流分量。
//carrier
carrier_generator carrierGenerator(
	.clk(clk),
	.rst(rst),
	.carrier(carrier_temp)//unsigned
);
assign carrier = carrier_temp - 8'd127;//因为我的mif文件是无符号数的，要去掉一定的直流分量。
//ammod
mult multmod(
	.dataa(INsignal),
	.datab(carrier),
	.result(ammodOut_temp)//[15:0] signed
	);
assign ammodOut = ammodOut_temp ;
endmodule//endmodule

至此，我们的全部模块已经编写完毕，可以编写一个tb文件来进行仿真啦！

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仿真

我们这里选择使用quartus II 与modelsim进行联合仿真。这里使用quartus生成tb.vt文件。该文件为testbench文件，操作如下：

操作界面按钮

生成之后，就可以在项目的所在文件夹里面找到一个simulation的文件夹，可以在里面找到一个测试文件。通常该文件名称为[projectName.vt]，如图：

文件地址

之后，选择我们的仿真工具，modelsim。（此处请参考网上关于quartus与modelsim联合仿真的教程），选择我们的testbench文件，操作如下：

步骤1

图中的是我的tb文件，请无视，请点击new

简单说一下这个界面：

1、是你的仿真文件的名字；

2、是该仿真文件中你的模块的名字；

3、是仿真文件里面调用的模块的名字，通常默认为i1，

以上3个内容均可以在生成的[projectName.vt]中找到。

设置完毕之后，打开[projectName.vt]进行编写我们所需要的仿真设置，我的改动如下：

//module function :simulation
`timescale 1 ps/ 1 ps //仿真时间，不做处理
module ammodtest_vlg_tst();
 
//reg eachvec; //有时钟仿真时，请注释掉这一行
 
reg clk;
reg rst;
// wires                                               
wire [7:0]  INsignal;
wire [15:0]  ammodOut;
wire [7:0]  carrier;
                         
ammodtest i1 (
  
	.INsignal(INsignal),
	.ammodOut(ammodOut),
	.carrier(carrier),
	.clk(clk),
	.rst(rst)
);
initial                                                
begin                                                  
                       
rst = 1;
clk =  0;
#5 rst = 0;                                                      
// --> end                                             
$display("Running testbench");                       
end                                                    
always                                                 
              
begin                                                  
                        
     #10 clk = ~clk;                                                  
//@eachvec;   //有时钟仿真时，请注释掉这一行                                           
                                          
end                                                    
endmodule

完成后，就可以对项目进行综合，综合完毕后请启动仿真：

仿真按钮

之后我们就可以在打开的modelsim的wave窗口中查看我们的波形了！效果如图：

第三个信号为调制信号，第四个信号为已调波，第五个为载波信号

到这里，我们的仿真完毕。

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尾言

到这里，我们的AM调制部分就编写完毕，在下板应用时，请把模拟的调制波输入，换成自己的信号输入端，进行管脚绑定之后就可以正常使用了！