一、前言
本文实验在ZYNQ实验---IQ调制实现SSB PART1的基础上进行优化完善。
下图为IQ调制实现SSB PART1中设想实现设计框图
该图设计存在的几个问题:
- PC-PS的UDP传输存在丢包
- 中断控制发包实际不适合流数据的传输
- 采用的BRAM模块可以存储的空间较小,PC到PL的时间相对较长,很容易出现RAM读空。
针对以上几个问题提出的解决方案
- 设计对速率和实时性要求不高,UDP在低速情况下丢包率低。
- PC数据如果不缓存直接送到PL中时间过长。ZYNQ带4Gbit的DDR选择将数据先完整的存在DDR中再进行PS到PL的传输。
- 输出的数据是一种流数据形式,使用半空读写方式持续读写FIFO即可保持数据的连续性。
新的IQ调制实现SSB设计框图
二、实验准备
实验平台与工具:ZYNQ7020,HackRF One,AN108 ADDA板,Matlab 2021b,Vivado 2018
2.1 IQ数据生成
使用matlab生成IQ基带数据,不同形式的基带数据决定了我们的输出调制方式,本实验先用正弦信号做测试。
matlab
fs_au = 32E3; % 采样频率
f = 2E3; % 正弦信号测试频率
ts=128; % 采样时间,秒为单位
t = 0:1/fs_au:ts-1/fs_au; % 生成ts秒的时间序列,步进为1/fs_au
% 定义文件路径和文件名
filename = 'nengcd.mp3'; %测试音频
% 读取MP3文件
[y, Fs] = audioread(filename);
% 转换采样率
y_resampled = resample(y, fs_au, Fs);
% 截取ts秒数据
start_time = 1; % 从缓存结束开始
end_time = ts*fs_au; % 截取ts秒
y_s = y_resampled(start_time : end_time);
% % 生成正弦信号
% x = sin(2*pi*f*t);
% y_hilbert=fi(hilbert(x), 1, 16); %定点化数据
% 进行希尔伯特变换生成IQ数据
y_hilbert=fi(hilbert(y_s), 1, 16); %定点化数据
y_real=real(y_hilbert);
y_imag=imag(y_hilbert);
% 绘制采样信号
plot(t, y_real);
xlabel('时间(秒)');
ylabel('幅度');
ylim([-2 2]);
title('原始信号');
grid on;
% IQ数据保存 保存为16进制格式,4个字符表示一个数据
% 这样的数据格式虽然增加了数据量但是便于输出观察,实际2个字节表示16bit即可
filename = 'music_real.txt';
% 打开文件进行写入
fileID = fopen(filename, 'w');
% 将定点数以格式化的方式写入文件
fprintf(fileID, '%s\n', y_real.hex);
% 关闭文件
fclose(fileID);
% 文件名
filename = 'music_imag.txt';
% 打开文件进行写入
fileID = fopen(filename, 'w');
% 将定点数以格式化的方式写入文件
fprintf(fileID, '%s\n', y_imag.hex);
% 关闭文件
fclose(fileID);
2.2 Simulink 仿真及Verliog代码生成
参考文章:
Simulink HDL--如何生成Verliog代码
IQ调制实现SSB PART1
2.3 C#设计PC端软件
在以往的工程中使用C#设计过简单的软件,实验中也设计了一个调试软件。
- 红色区域为串口区域,可以接收PS端的串口信息
- 黄色区域为网络区域,读取matlab生成的数据文件通过UDP发送至DDR
UDP 通信协议帧结构
数据报文结构 0xAA 1byte类型 2bytes数据长度 2bytes分片数 Lbytes数据 1byte和校验
指令报文结构 0xAA 1byte类型 2bytes指令长度 2bytes指令 1byte和校验
2.3 Vivado -- PL与PS设计
ZYNQ的设计如图所示
连接关系:PS->AXI Stream FIFO->AXI Stream Data FIFO->上变频和调制模块->DAC输出
说明:
- AXI Stream FIFO设置半空读写,AXI Stream Data FIFO做缓冲作用。ZYNQ实验 FIFO读写实验(如何平衡跨时钟域的读写)
PS端对AXI Stream FIFO的半空读写示例程序
c
//初始化FIFO
DDR_rd(0,4096,IQchioce);
Status = FIFOTxSend(&FifoInstance, FIFOSourceBuffer);//FIFOTxSend是FIFO示例中的发送函数
while(1)
{
//UDP是按512个数据发送到DDR中的,因此读取2048是从DDR中读4组数据
for(i=0;i<cmd_picenum;i+=4)
{
// 半空状态读取
Status = XLlFifo_Status(&FifoInstance);
Halfempty= Status & 0x00200000;
if(Halfempty)
{
//DDR读取数据,幅值到FIFOSourceBuffer
DDR_rd(0,2048,IQchioce);
//发送数据至FIFO。循环写入相同的2048个数据
XLlFifo_IntClear(&FifoInstance,0xffffffff);
Status = FIFOTxSend2(&FifoInstance, FIFOSourceBuffer);//FIFOTxSend2只发送2048个数据的
if (Status != XST_SUCCESS){
xil_printf("Transmisson of Data failed\n\r");
return XST_FAILURE;}
memset(FIFOSourceBuffer2,0,2048);
}
else
{
i=i-4;
}
}
}
- Data_interception 模块
该模块将AXI Stream类型的数据转化为上变频模块可以使用的数据格式。实验中DDR的32bit数据的高16bit存I数据,低16bit存Q数据,因此将DDR中读取到的数据分为两路16bit数据送入上变频模块。
- PS端代码问题
IQ调制实现SSB PART1实验中是不涉及PS端设计的,数据存在RAM中进行循环输出。在本实验中PS成为了很关键的沟通PC和FPGA的部分,PS端功能主要涉及串口收发,UDP收发,DDR读写,AXI Stream FIFO读写,某些功能在我的ZYNQ学习专栏中可以找到,网上也有很多实现教程。
三、 实验结果
3.1 输出2kHz正弦信号
ILA 观察信号
示波器观察信号
2kHz在1MHz上经过SSB调制,输出1.002MHz信号
3.2 输出音频信号
HackRF One接收SSB信号,解调出音频信号,最终的效果一般。结果不好与收发端设备有关,整个系统比较简易。
总结
整个工程设计虽然简单,但也算我设计的第一个完整的系统。实验数据从PC端一直到DAC输出的过程在框图中看着简单,但在实际调试中遇到了很多的bug和曲折,matlab生成的代码也是存在一定的问题对FPGA设计不熟练的话很容易遇到很多难以发现和解决的问题。这个东西也是抽空做一点慢慢搭起来的,虽然在某些问题上花费了很大的精力但是我也学到了很多东西,各种开发调试的经验,工具平台的了解使用,包括现在对FPGA和嵌入式也有了新的认识等等。
main函数代码
c
int main()
{
int Status;
int Halffull;//半满标记
XUartPs_Config *Config;
u16 revnum=0;
u16 i,j=0;
u8 state = UART_RXCHECK ;
ReceivedBufferPtr = ReceivedBuffer ;
ReceivedFlag = 0 ;
ReceivedByteNum = 0 ;
/* Uart init*/
Config = XUartPs_LookupConfig(UART_DEVICE_ID);
if (NULL == Config) {
return XST_FAILURE;
}
Status = XUartPs_CfgInitialize(&Uart_PS, Config, Config->BaseAddress);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
/* Use Normal mode. */
XUartPs_SetOperMode(&Uart_PS, XUARTPS_OPER_MODE_NORMAL);
/* Set uart mode Baud Rate 115200, 8bits, no parity, 1 stop bit */
XUartPs_SetDataFormat(&Uart_PS, &UartFormat) ;
/*Set receiver FIFO interrupt trigger level, here set to 1*/
XUartPs_SetFifoThreshold(&Uart_PS,1) ;
/* Enable the receive FIFO trigger level interrupt and empty interrupt for the device */
XUartPs_SetInterruptMask(&Uart_PS,XUARTPS_IXR_RXOVR|XUARTPS_IXR_RXEMPTY);
SetupInterruptSystem(&IntcInstPtr, &Uart_PS, UART_INT_IRQ_ID);
/* UDP init*/
struct netif *netif, server_netif;
ip_addr_t ipaddr, netmask, gw;
/* 开发板MAC地址 */
unsigned char mac_ethernet_address [] ={0x00, 0x0a, 0x35, 0x00, 0x01, 0x02};
/* 开启中断系统 */
Init_Intr_System(&IntcInstPtr);
Setup_Intr_Exception(&IntcInstPtr);
netif = &server_netif;
IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 1, 30);
IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0);
IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 1, 1);
lwip_init(); //初始化lwIP库
/* 添加网络接口并将其设置为默认接口 */
if (!xemac_add(netif, &ipaddr, &netmask, &gw, mac_ethernet_address, XPAR_XEMACPS_0_BASEADDR)) {
xil_printf("Error adding N/W interface\r\n");
return -1;
}
netif_set_default(netif);
netif_set_up(netif); //启动网络
user_udp_init(); //初始化UDP
/* FIFO init*/
Status = XLlFifoPollingExample(&FifoInstance, FIFO_DEV_ID);//初始化FIFO
while (1)
{
/* 将MAC队列中的包传输的LwIP/IP栈中 */
xemacif_input(netif);
//revnum=UartRevdata(); //串口通信
revnum=udp_ReadData(UDPrecvBuffer);
memcpy(PC2PScmd,UDPrecvBuffer,revnum);
if(revnum>=6)
{
switch(PC2PScmd[1])
{
case 0x00: //DDR数据输出至FIFO
{
if(revnum==7 && RX_CheckSum(PC2PScmd,7)==0)
{
cmd_picenum=(u16)PC2PScmd[4]+((u16)PC2PScmd[5]<<8);
xil_printf("cmd_picenum=%x\n\r",cmd_picenum);
DDR_rdIQ(0,4096,IQchioce);
Status = FIFOTxSend(&FifoInstance, FIFOSourceBuffer); //填满FIFO
while(1) //循环输出数据
{
for(i=0;i<cmd_picenum;i+=4)
{
// FIFO_sent
Status = XLlFifo_Status(&FifoInstance);
//xil_printf("Status=%x\n\r",Status);
Halffull= Status & 0x00200000;
if(Halffull)
{
DDR_rdIQ(i*512,2048,IQchioce);
/* Transmit the Data Stream */
XLlFifo_IntClear(&FifoInstance,0xffffffff);
Status = FIFOTxSend2(&FifoInstance, FIFOSourceBuffer2);//半满FIFO
if (Status != XST_SUCCESS){
xil_printf("Transmisson of Data failed\n\r");
return XST_FAILURE;}
}
else
{
i=i-4;
}
}
}
memcpy(UDPsentBuffer,PC2PScmd,7);
memset(PC2PScmd,0,7);
udp_SentData(7,UDPsentBuffer);
countnum=0;
}
break;
}
case 0x01: //写入DDR
{
cmd_datalen=PC2PScmd[2]+(PC2PScmd[3]<<8);
cmd_picenum=PC2PScmd[4]+(PC2PScmd[5]<<8);
if(revnum==1031 && RX_CheckSum(PC2PScmd,1031)==0) //1031 为整个数据帧的长度,数据一次传1024字节
{
DDR_wr(cmd_picenum*512,cmd_datalen,IQchioce); //512*16bits=1024*8bits,16bit才是一个完整的数据
memcpy(UDPsentBuffer,PC2PScmd,3);
UDPsentBuffer[3]=0x01;
udp_SentData(4,UDPsentBuffer);
printf("picenum=%d\n",cmd_picenum);
memset(PC2PScmd,0,1031);
countnum=0;
}
break;
}
case 0x02: //写入IQ选择,分别存在DDR的不同区域
{
if(revnum==7 && RX_CheckSum(PC2PScmd,7)==0)
{
IQchioce=PC2PScmd[4];
memset(PC2PScmd,0,7);
}
countnum=0;
break;
}
default:
{
countnum=0;
break;
}
}
}
}
return 0;}