一种FM信号调制解调数字化实现方法研究

布刚刚

一种FM信号调制解调数字化实现方法研究

布刚刚

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

针对陆军某通信电台应用需求，本文提出了一种基于软件无线电设计思想的FM信号调制解调数字化实现方法，给出了数字化实现FM信号调制解调的原理架构及实现步骤，并与传统的模拟实现方式进行对比，最后对数字化实现过程进行了仿真验证。该方法已实际应用于项目，性能达到了军标要求。

FM调制解调；数字化实现；电台

0 引言

随着软件无线电理念的兴起与数字器件水平的不断进步，数字器件的资源及处理能力不断增强，越来越多的功能可以部署在数字器件上实现[1]。调频（Frequency Modulation，FM）信号在电台有着重要的应用[2]。本文着重研究了FM信号的调制解调在数字器件中的实现方法，对实现过程进行了数学推导，采用相位累加字计算控制数字频率合成器（Direct Digtital Synthesizer，DDS）完成了FM信号的数字调制，采用正交下变频信号差分的方式完成FM信号数字解调，并且基于大规模高速FPGA完成了数字调制和解调算法，在某电台项目得到了成功应用。基本可以达到接收机硬件平台化、软件可配置、功能可扩展的软件无线电目标，经过实测设备的FM接收灵敏度达到了-113 dBm的军标要求。

1 FM信号调制解调算法及离散域实现

FM调制信号解析形式如式（1）所示：

可以得到：

2 FM传统模拟实现方式及数字化实现方式

2.1 FM信号调制过程

模拟调制过程如图1所示。设备采用模拟方式实现FM调制时，采用相位检测器、环路滤波器和压控振荡器来实现，话音信号经过话音电路调理后直接控制压控振荡器，压控振荡器的输出反馈给相位检测器，通过不断迭代检测最终输出稳定的调频信号，最后通过信道完成上变频，经过功放放大后输出。

FM信号数字化的调制过程如图2所示。

图1 设备FM模拟调制架构

图2 设备FM数字调制架构

电台设备中FM信号的调制源来自于话音接口，调制信号经过话音模数转换（Analog to Digital Conversion，ADC）采样后可通过SPI接口传送给信号处理FPGA，在信号处理FPGA中完成FM信号调制，完成调制后再经过信道模块完成上变频输出给功放最终输出。

2.2 FM信号解调过程

传统模拟方式如图3所示。信号经过信道下变频后首先进入带通滤波器进行滤波，滤波后进行限幅处理，之后进入微分电路和包络检波进行解调，解调后的结果经过低通滤波后通过话音电路输出。

FM信号数字化的解调过程如图4所示。

图3 设备模拟FM解调架构

图4 设备数字化FM解调架构

数字化方式解调FM信号，第一步需要将接收到的模拟FM调制信号下变频到基带[5]，在基带按式（6）描述的算法解调后根据输出数据速率的要求可进行抽取或者插值输出。输入信号经ADC采样后，首先进行正交下变频，下变频后进行低通滤波，低通滤波后的I/Q信号进入FM鉴频模块进行解调，解调方式如式（6）提到的鉴频解调算法。

在设备数字化解调过程中，由于集成化的特点，通用的中频的采样率可能会远大于FM基带信号的带宽，FM解调得到的基带信号通常会降低采样率后输出给话音模块，解调得到基带信号后可通过调用多级CIC滤波器抽取或插值，得到最终输出要求的采样率。对比图1～图4可以看出，相比于传统的模拟调制解调，数字化调制解调的核心处理部分全部在FPGA中完成，采用数字化方式实现后，设备可以根据功能需要在FPGA中部署不同的软件，使得设备硬件平台更加通用，功能切换更为灵活。

3 仿真及设备验证

图5 FM基带调制信号

调制完成信号上变频到中频后，加20 dB噪声得到FM接收端收到的信号频谱如图6所示。

图6 接收端收到的FM信号频谱

下变频、滤波、解调可得解调的结果如图7所示。

图7 解调后最终输出的FM信号

设备综合后的解调原理图如图8所示。

图8 综合后的FM解调原理图

通过算法仿真与设备验证，可以看到本文给出了FM信号调制解调方法是有效的。

采用数字化的调制解调方式最终在设备经过实际测试，FM接收灵敏度优于-113 dBm，优于军用电台中对FM接收灵敏度的军标要求。

4 结论

本文对FM信号的应用及实现方式进行介绍，对FM信号的调制解调算法进行了数学推导，并给出了相应算法在离散域的对应形式，给出了在设备中使用数字器件实现FM信号调制解调的过程方法，并对实现方法进行了仿真验证，并成功应用于某电台项目，经过实际比测，数字化的实现方式使得设备接收灵敏度优于军标要求。

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

[2] 曹志刚. 现代通信原理[M]. 北京：清华大学出版社，1992.

[3] 秦明伟，李德建，姚远程. 软件无线电数字下变频及抽取技术研究[J]. 通信技术，2008（9）.

[4] 王忠思，黄辉，周亚民. 软件无线电关键技术分析[J].信息通信，2011（6）.

[5] 董晓静，吴辰文，王平. 软件无线电中调制解调的实现[J]. 兰州交通大学学报，2010（1）.

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。布刚刚（1986.07-），陕西咸阳人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为数字信号处理。