ASK调制解调课程设计论文

中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书1目 录1 引言1.1 课题研究的背景和意义 1.2 研究现状1.3 论文的内容安排2 系统原理及设计方法2.1 2ASK 调制的原理 Y2.2 ASK 解调原理及设计方法3 ASK 调制与解调的 VHDL 系统建模3.1 软件平台介绍3.2 整体方案设计4 2ASK 调制系统 VHDL 建模4.1 2ASK 调制系统仿真模型4.1.1 m 序列原理4.1.2 m 序列的实现4.1.3 分频器原理4.2 调制程序实现4.2.1 M 序列的实现4.2.2 分频器的实现4.3 2ASK 调制系统仿真4.3.1 M 序列伪随机码仿真4.3.2 分频器仿真4.3.3 2ASK 调制仿真5 2ASK 解调系统 VHDL 建模与仿真5.1 2ASK 解调系统仿真模型5.2 2ASK 解调系统的实现5.2.1 2ASK 解调系统的 VHDL 设计中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书25.2.2 2ASK 解调系统的仿真结果5.2.3 2ASK 解调仿真的误码5.3 本章小结中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书31 引言1.1课题研究的背景和意义通信即传输信息，进行信息的时空转移。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。实现通信的方式和手段很多，如手势、语言、旌旗、烽火台和击鼓传令，以及现代社会的电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等，这些都是消息传递的方式和信息交流的手段。伴随着人类 的文明和科学技术的发展，电信技术也是以一日千里的速度飞速发展，如今，在自 然科学领域涉及“通信”这一术语时，一般指“电通信” 。现代通信系统要求通信 距离远、通信容量大、传输质量好。改革开放以来，我国的通信建设有了迅速的发展，但与一些发达国家相比还是比较落后。随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像，通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆，微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。目前，数字通信已经成为当代通信技术的主流。下图为数字通信系统的一般模型信源信源编码加密信道编码数字调制数字解调信道译码解密信源译码信宿信道噪声源图 1.1 数字通信系统的一般模型与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：1 抗干扰能力强，尤其是数字信号通过中继再生后可消除噪声积累; 2 数字信号通过差错控制编码，可提高通信的可靠性; 3 由于数字通信传输一般采用二进制码，所以可使用计算机对数字信号进行处理，实现复杂的远距离大规模自动控制系统和自动数据处理系统，实现以计算机为中心的通信网。4 在数字通信中，各种消息(模拟的和离散的)都可变成统一的数字信号进行传输。在系统中对数字信号传输情况的监视信号、控制信号及业务信号都可采用数字信号。5 数字信号易于加密处理，所以数字通信保密性强。作为其关键技术之一的调制解调技术一直是人 们研究的一个重要方向通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移 到所希望的位置上，而且它对系统的中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书4传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响 。从模拟调制到数字调制，从二进制发展到多进制调制，虽然调制方式多种多样，但都是朝着使通信系统更高速、更可靠的方向发展 。一个系统的通信质量，很大程度上依赖于所采用的调制方式。因此，对调制方式的研究，将直接决定着通信系统质量的好坏。ASK（AmplitudeShift Keying）作为一种简单高效便捷,易于实现的特点, 在目前的通信领域中有着其独特的位置，对基于 ASK 的通信系统的研究与应用也是众多研究项目中的热点。在实际应用当中，大型、复杂的系统直接实验是十分 昂贵的，而通信系统设计研究是一项十分复杂的技术。由于技术的复杂性，在现代通信技术中，越来越重视采用计算机仿真技术来进行系统分析和设计。利用仿 真，可以大大降低实验成本。在实际通信中，很多信道都不能直接传送基带信号， 必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓正弦载波调制。1.2研究现状ASK（AmplitudeShift Keying）振幅调制作为数字调制传输的一种常用方式，具备上述所有的优点，所以 ASK 的应用是非常广泛的，如在基于 ASK 的神经网络解调器研究上与传统解调器相比,它有一些很重要的特点:第一,基于 ASK 的神经网络算法用于解调处理,其抗干扰性能优于传统方法;第二,基于 ASK 的神经网络解调器有和传统解调器相似的处理单元,但在神经网络中,这些功能被整合在多个神经元中,无需对每个处理单元和功能进行单独设计,这些处理功能都是在其学习过程中自己获得的;第三,解调系统为并行结构,所以处理速度比传统速度更快。还有开发多信道通信系统时针对 ASK中频信号发生器和接收机的 FPGA 设计及实现的研究,研究结果表明能增加系统的冗余性,提高系统的可靠性。有较为广泛的市场前景的应用于智能系统包括家庭保安系统、自动化控制系统、汽车门禁系统以及 RFID 等领域的工作于超高频(UHF)的射频接收机也常使用于 ASK 数字调制方式。在其它应用中还有如基于 ASK 无线射频收发模块的安防系统，无线射频数据传送电路和 EMC 微处理器设计为一体,构成具有检测不同信号和无线数据传输的功能模块,并通过无线接收模块与电话网络连网,应用于家庭及单位的安防系统。通信系统的发展日新月异。20 世纪末，EDA（Electronic Design Automation 电子设计自动化）技术获得了飞速的发展。它的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书5动化技术。采用 EDA 技术来设计并测试通信系统，能有效地缩小了系统的体积,降低了成本,增加了可靠性。EDA 技术中的 VHDL 语言使得设计具有良好的可移植性及产品升级的系统性。1.3论文的内容安排本文论述了基于 VHDL 实现 ASK 数字调制系统的方法，和在 QUARTUS 上的仿真调试。具体内容安排如下：第一章介绍课题研究的背景，意义以及 ASK 的发展现状；第二章研究 2ASK 调制解调系统的原理及设计方法；第三章根据各个系统的总体功能与硬件特点，设计总体框图；第四章根据 VHDL 语言特点，对调制系统进行 VHDL 建模与仿真；第五章对解调系统进行 vhdl 建模与仿真。2 系统原理及设计方法2.1 2ASK 调制的原理幅度键控 2ASK（Amplitude-shift keying）技术是一种数字调制技术，它是连续波调制。2ASK 指的是振幅键控方式。其调制方式是根据信号的不同，调节正弦波的幅度。2ASK 技术主要是用在数据传输方面，它的优点是有效性好，随着输入信噪比的增加，系统的误码率将更迅速地按指数规律下降。 幅度键控的调制可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号 1 或 0 的控制下通或断，在信号为 1 的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为 0 的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端就可以根据载波的有无还原出数字信号的 1 和 0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称作开关键控法(OOK)。 在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使载波在二进制基带信号 1 或 0 的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0” ，这样就可以得到 2ASK信号，二进制振幅键控方式称为通断键控（OOK） 。2ASK 信号典型的时域波形如图 2所示中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书6图 2.1 2ASK 信号典型的时域波形2ASK 信号的时域数学表达式为： (2.1)()=()式中, 为载波角频率， 为随机的单极性二进制基带脉冲序列。c s()（2.2）()=()其中， 是持续时间为 、高度为 1 的矩形脉冲，常称为门函数， 为二进制数g() a字（2.3）0，出现概率为（ 1-p）1，出现概率为 p 2ASK 信号的产生方法（调制方法）有两种，如下图 2.1 所示：中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书7图 2.2 2ASK 信号的产生方法图（a）是一般的模拟幅度调制方法，不过这里的 s(t)由式（2.2）规定；图（b）是一种键控方法，这里的开关电路受 s(t)控制。图（c）给出 e0(t)的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为 0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号（OOK 信号） 。2.2 ASK 解调原理及设计方法ASK 信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。包络检波法的原理方框图如图 2.3 所示:带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器e 2 A S K ( t )ab c d输出定时脉冲2.3 包络检波法的原理方框图带通滤波器（BPF）恰好使 2ASK 信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为 2ASK 信号，即 ，包络检波器输出为 s(t)。经抽样、判决y()=0()=()后将码元再生，即可恢复出数字序列an。相干检测法原理方框图如图 2.4 所示:带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器e 2 A S K ( t )输出定时脉冲c o s w t2.4 相干检测法原理方框图相干检测就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。包络检波法是一种非相干解调，信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，然后进行解调和抽样判决。采用包络检波法的接收系统通常工作在大噪比的情况下，中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书8最佳门限值为接收信号包络值的一半，也就是说对于 2ASK 的包络检波法来说，最佳门限值和接收信号的包络值有关，这个特性使得 2ASK 不适用于变参信道。同步检测法也称相干解调，信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反向搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰，通常判决电平取 A/2。由于信号只有 1 和 0 两种状态，因此只需要在每个信号间隔内做出一次判决即可，由采样判决电路完成。在相同大信噪比情况下，2ASK 信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调 2ASK 系统的抗噪声性能优于非相干解调系统，但两者相差并不太大。然而，包络检波解调不需要稳定的本地相干载波，故在电路上要比相干解调简单的多。虽然 2ASK 信号中确实存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接收设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调 2ASK 信号。但是，包络检波法存在门限效应，相干检测法无门限效应。所以，一般而言，对 2ASK 系统，大信噪比条件下使用包络检测，即非相干解调，而小信噪比条件下使用相干解调。3 ASK 调制与解调的 VHDL 系统建模3.1 软件平台介绍VHDL 的英文全名是 Very-High-SpeedIntegratedCircuit HardwareDescription Language,诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL 被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从 PAL 和GAL 器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言(VHDL)等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。FPGA（FieldProgrammable Gate Array） ，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。中北大学信息商务学院 2018 届本科课程设计说明书91993 年，IEEE 对 VHDL 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL 的内容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 标准的 1076-1993 版本， （简称 93 版） 。现在，VHDL 和 Verilog 作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言，又得到众多 EDA 公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL 与 Verilog 语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VHDL 语言是一种用于电路设计的高级语言。它在 80 年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。VHDL 的英文全写是：VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language。翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在 FPGA/CPLD/EPLD 的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计 ASIC。VHDL 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体 entity（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分） ，既涉及实体的内部功能和算法完成