基于 VIVADO 的 AM 调制解调（3）仿真验证

一、概述

        本文通过设计 Testbench 对 AM 调制解调模块进行功能验证，主要检查以下几点：

     （1）各阶段波形是否正确输出。

     （2）各信号幅值是否符合预期。

     （3）调制深度是否接近预设值。

     （4）解调波形能否高度还原调制信号。

     （5）借助 MATLAB 检查仿真数据是否正常。

二、Testbench 代码

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: UESTC
// Engineer: chylinne
// 
// Create Date: 2022/08/01 21:59:51
// Design Name: am
// Module Name: am_tb
// Project Name: am
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//


module am_tb();

    /* System clock */
    reg         clk;

    /* System reset */
    reg         rst_n;

    /* Phase Increment Programmability
    PINC = fout * 2^B / fclk
         = 8MHz * 2^16 / 100 MHz
         = 5243
    */
    wire [15:0] pinc_carrier = 'd5243;

    /* Phase Increment Programmability
    PINC = fout * 2^B / fclk
         = 8kHz * 2^24 / 100 MHz
         = 1342
    */
    wire [23:0] pinc_modulate = 'd1342; // clocks

    /* Modulation Depth */
    wire [3:0]  depth = 'd9; // 0.9
    
    wire [7:0]  modulate_signal;
    wire [7:0]  carrier_signal;
    wire [17:0] modulated_signal;   
    wire [7:0]  demodulated_final;
    reg  [17:0] modulated_out;
    reg  [7:0]  demodulated_out;
    
    integer modulated_file, demodulated_file;
    
    initial begin
        clk <= 1'b0;
        rst_n <= 1'b0;
        modulated_file = $fopen("D:/FPGA/am/modulated_out.txt", "w");
        demodulated_file = $fopen("D:/FPGA/am/demodulated_out.txt", "w");

        #10
        rst_n <= 1'b1;
    end

    // system clock is set to 100 MHz
    always #5 clk = ~clk;
    
    [email protected](posedge clk) begin
        modulated_out <= modulated_signal;
        demodulated_out <= demodulated_final;
    end
    
    [email protected](posedge clk) begin
        $fwrite(modulated_file, "%d\n", $signed(modulated_out));
        $fwrite(demodulated_file, "%d\n", demodulated_out);
    end
    
    am u_am(
        .clk(clk),
        .rst_n(rst_n),
        .pinc_carrier(pinc_carrier),
        .pinc_modulate(pinc_modulate),
        .depth(depth),
        .modulate_signal(modulate_signal),
        .carrier_signal(carrier_signal),
        .modulated_signal(modulated_signal),
        .demodulated_final(demodulated_final)   
    );

endmodule

三、测试结果

（1）总览

        如下图所示，信号由上到下依次为：调制信号（8 kHz 正弦波）、载波信号（8 MHz 正弦波）、已调信号、解调信号。

 （2）调制信号

最大值为 126，如下。

最小值为 -126，如下。

 （3）载波信号

最大值为 126，如下。

最小值为 -126，如下。

 （4）已调信号

在最大值处，幅值为 30240，如下。

在最小值处，幅值为 1612，如下。

 因此，仿真结果所对应的调制深度为

误差为

四、MATLAB 验证

（1）验证代码

        通过 MATLAB 分别读取 Testbench 生成的两个 .txt 文件（modulated_out.txt 和 demodulated_out.txt）来获取仿真的时域数据，并通过 fft 函数计算其频域数据。

clear;
file = fopen('modulated_out.txt');
content = textscan(file,'%s');
fclose(file);
data = content{1,1}(2:end,:);
X = str2num(char(data));
Fs = 100000000;%采样频率
dt = 1/Fs;%采样周期
L = length(X);%数据长度
t=0:dt:dt*(L-1);%时间
n = 2^nextpow2(L);%求得最接近数据长度的2^n
Y = 2*abs((fft(X,n))/n);%求频谱
 
subplot(2, 1, 1);
plot(t,X);
title('时域图');
xlabel('t');
ylabel('X');
set(gca,'XLim',[0 10^-3]);

subplot(2, 1, 2);
plot(Fs*(0:(n/2))/n,Y(1:n/2+1));
title('频谱图');
xlabel('f');
ylabel('|Y(f)|');
axis([7500000 8500000 0 15000]); % display modulated data
%axis([0 100000 0 150]); % display demodulated data

（2）验证结果

调制结果：

 解调结果：