唐波，黃文玲，張靜遠

（海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢 430033）

：提出了一種基于計數器原理的調頻信号解調方法，該方法以FPGA為核心，結合放大整形電路、高頻振蕩器電路以及DAC，完成對超聲以及以下頻率的調頻信号解調。該方法通過對信号周期計數，然後用計數值檢索存儲有信号幅度值的存儲器，最後經過DAC得到調制信号。

：計數器；調頻信号；解調；FPGA

：TN76文獻标識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.023

引用格式：唐波，黃文玲，張靜遠.基于計數器原理的調頻信号解調方法［J］.微型機與應用，2017,36（8）：73-75.

0引言

*基金項目：國家自然科學基金項目（11602300）對調頻信号的解調常采用變容二極管等模拟元件組成的解調電路來實現，然而模拟電路存在諸多缺陷［1］。随着電子技術的不斷發展，FPGA以其強大的功能和豐富的資源迅速占領了信号處理領域。基于計數器原理的調頻信号解調方法就是以FPGA為核心，采用數字的方式來實現調頻信号的解調。

1基本原理

假設一調頻信号f(x)，對其進行整形放大，便可得到與調頻信号同頻的方波信号［2］，如圖1所示。

在方波信号的上升沿啟動計數器計數，同時在上升沿輸出計數器計數值并複位計數器。計數器輸出值用于檢索存儲器，存儲器中存儲有相應的信号幅度信息，存儲器輸出連接D/A轉換器，則可得到幅度随輸入信号頻率變化的輸出信号。系統原理框圖如圖2所示。

其中計數器主要完成對信号周期的計數，對于調頻信号來說，信号瞬時周期反比與信号瞬時頻率，因此計數值可實時反映信号頻率的變化，經過存儲器的映射關系得到調制信号的幅度值，經DAC變換後輸出。

其中高頻振蕩器用于産生高頻震蕩信号，經倍頻或分頻後得到與調頻信号頻率相匹配的計數時基。

2系統分析

2.1時基電路

由高頻振蕩器産生震蕩信号，經過倍頻或者分頻之後得到計數時基信号，時基信号的選擇取決于不同信号的頻率範圍。時基信号fc的選擇通常考慮兩方面因素：調頻信号的頻率上限fmax和調頻信号的頻率下限fmin。

為了保證對信号的周期計數具有較高的精度，通常要求時基信号頻率大于信号頻率的50倍［3］，即:

fc≥50fmax（1）

同時，計數器的輸出信号作為存儲器的地址信号，用于檢索相應的調制信号幅度值，因此計數器的輸出值vc最大值受到存儲器存儲深度dm的限制，即:

2.2計數器

計數器對計數值輸出、計數啟動、計數複位采用相同的觸發源，均在方波信号的上升沿觸發。因此計數器每個上升沿的輸出值反映的都是信号周期的時間，計數器的計數時基信号頻率為fc，因此計數器的輸出值vc可表示為:

計數器的輸出值反映的是調制信号的變化規律，當調制信号幅度減小時，計數器的輸出值增大，反之，則減小。

2.3存儲器

存儲器中存儲有調制信号的幅度值，它的主要功能是完成計數值到調制信号幅度值的映射，即以計數器的計數值作為地址信号，檢索相對應的幅度值。對于計數器來說，計數值與調制信号幅度是成反比的，因此存儲器中高圖4系統電路原理圖位地址存儲的是信号的小幅度值，低位地址則存儲信号的大幅度值。因此當輸入信号頻率降低的時候，在存儲器的輸出端得到較小的信号幅度值，反之則得到較大的信号幅度值。經過DAC之後就可以得到調制信号。

3誤差分析

由以上分析可知，計數值反映的是信号頻率的變化規律，因此式（4）可以表示為：

f=fcvc

則信号頻率的相對誤差可以表示為：

dff=dfcfc-dvcvc

則極限情況下的最大誤差為：

其中，dfcfc為計數時基信号的誤差，它代表了高頻振蕩器的頻率穩定度；dvcvc為計數值相對誤差，即量化誤差［4］。

對于高頻震蕩器來說，精度均在10-4以上，則對于10 MHz的振蕩器來說,dfcfc≤10-11;而計數值相對誤差dvcvc則取決于時基信号的頻率以及輸入信号的頻率，如圖3所示。

圖3計數誤差原理由圖3可以看出，采用計數器對信号周期進行計數，總會存在一個±1個計數周期的誤差，則有：

顯然，增大計數時基頻率與信号頻率之間的差别可以有效地減小系統誤差。

4電路實現

随着電子技術的不斷發展，以FPGA為核心的各種信号處理系統不斷湧現，由于豐富的片上資源，使得系統極大地簡化［5］。在該系統中，FPGA實現倍頻/分頻、計數器以及存儲器的功能，系統電路原理如圖4所示。

由圖4可以看出，前端模拟電路實現信号的放大整形，即将輸入信号轉換成能被FPGA接收的方波信号，在FPGA中以一定的計數時基完成對信号周期的計數，并以計數結果作為存儲器的地址信号讀出存儲在存儲器中的調制信号幅度，最後經過DAC将離散的調制信号幅度值轉換成模拟的調制信号，從而完成對信号的解調。

5結論

由以上分析可知，隻要針對輸入信号的頻率範圍選取合适的計數時基，就可以以較高的精度實現對調頻信号的解調，而且通過增大存儲器的存儲深度可以從整體上提高系統的精度。該系統使用方便，參數修改靈活，可以在不做硬件改動的情況下适應不同頻段信号的解調。

參考文獻

［1］ 陳科山, 王燕. 現代測試技術［M］. 北京：北京大學出版社, 2011.

［2］ 田坦, 劉國枝, 孫大軍. 聲呐技術［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社, 2006.

［3］ 王紹卿. 魚雷近炸引信原理與設計［M］. 西安：西北工業大學出版社, 1992.

［4］ 申忠如, 郭福田, 丁晖. 現代測試技術與系統設計［M］. 西安：西安交通大些出版社, 2014.

［5］ 朱明程. FPGA原理及應用［M］. 北京：電子工業出版社, 1994.

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