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Q260046902 专业做论文 IV基于FPGA的ASK载波传输系统设计摘要： 现代通信系统的发展随着VHDL等设计语言的出现和ASIC的应用进入了一个新的阶段，普通的传输系统设计方法已经不能满足使用需求。由于大多数信号都是带通型的，所以必须先用数字基带信号对载波进行调节，形成数字调制信号再进行传输。因而，调制技术是实现现代通信的重要手段。本文在研究ASK传输系统的基础上，基于FPGA设计了它的调制解调仿真实现方案。首先确定了ASK传输系统的仿真方案。其次编写了方案所需的程序，包括基带信号的产生，调制及解调实现功能。最后，对整个系统进行仿真，对结果中的错误进行分析并改进方案。结果表明用FPGA控制ASK传输系统的实现方法简单，误码率低。提高了数字通信系统的效率，降低了成本。关键词： ASK技术；调制；解调；误码The design of ASK carrier transmission system based on FPGAAbstract: The development of modern Communication system enters on a new stage along with the appearance of VHDL and implement of ASIC. The method of ordinary transmission system design already could not meet the operation requirements. Because most of the real signal are band pass signal, it is necessary to use base band signal to modulate carrier wave and generate digital modulation signal to be transferred, thus the technology of the modulation and demodulation is the important methods of the modern communication. Based on the study of ASK carrier transmission system, the simulation on ASK modulation and demodulation has been designed based on FPGA. Firstly, the design of simulation on ASK carrier transmission system was chosen. Secondly, the required procedure has compiled, including base band signal producing, function of modulation and demodulation realizing. Finally, the simulation on the overall system was conducted. Then, the result mistake was analyzed and the design was improved. The result indicates the method of demodulation, which control the output of ASK by FPGA, is simple. The error code rate is low. The efficiency is improved. The efficiency of digital communication system is advanced and the cost is lowered.Key words: Amplitude-shift keying technology, Modulation, Demodulation, Error code目 录第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 课题目的和意义21.3 论文内容安排3第2章 方案的设计42.1 方案涉及的技术42.1.1 通信系统的调制解调技术42.1.2 ASK调制解调技术82.2 整体方案设计132.3 本章小结14第3章 ASK调制系统软件仿真153.1 调制系统仿真建模153.2 调制程序153.3 ASK调制系统仿真173.4 仿真结果调试183.5 本章小结20第4章 ASK解调系统软件仿真214.1 解调系统仿真建模214.2 解调程序214.3 ASK解调系统仿真224.4 仿真结果调试234.5 本章小结25第5章 ASK调制与解调系统综合仿真265.1 基带信号的输入265.1.1 m序列简介265.1.2 m序列的实现275.2 综合仿真295.3 仿真结果调试305.4 本章小结33结 论34致 谢35参考文献36附录： 源程序37 西南科技大学本科生毕业论文 第1章 绪 论1.1 课题背景现代通信系统是时代生命线。现代通信已经不再是单一的电话网或电报文字通信网，而是一个综合的为多种信息服务的通信网。为适应世界性的政治与经济活动的需要，人类已经迅速建立起世界性的全球通信网。通信网已经成为支撑现代经济的最重要的基础结构之一。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。图1-1为通信系统的一般模型。信息源发送设备传输媒介接收设备收信者干扰图1-1 通信系统的一般模型图1-1中，信息源可以通过输出信号的性质不同分为模拟信源和数字信源，由于信息源产生信息的种类和速率不同，因而对传输系统的要求也各不同。发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的信息信号变换为便于传输的信号形式，送往传输媒介，调制是最常见的变换方式。发送设备还包括为达到某种特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。传输媒介是从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介，它可以是无线的，也可以是有线的。在实际的传输过程中必然会引入干扰，如热噪声、衰落、脉冲干扰等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系的变换方式的选取。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。通信系统的发展日新月异。20世纪末，EDA（ElectronicDesignAutomation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动化技术。EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术，IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术等。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。1.2 课题目的和意义这个课题是基于FGPA设计并制作一个ASK载波传输系统，实现点对点的数字信号的载波传输。传输数据速率不低于8kbps，误码率应控制在0.1左右。通过这个课题理解掌握课题涉及的相关内容，熟练使用相关开发工具软件，掌握基本的有线传输系统的构成，熟悉数字信号载波传输的基本方式；掌握基本的硬件电路调试方法。通过这个课题，可以了解到模拟化和数字化的区别： 模拟调制就是用模拟信号调制载波，数字调制就是用数字信号调制载波。采用数字化的好处很多，最明显的是抗干扰性能得到加强，容易加密等等。数字信号传输和模拟信号传输是不一样的，模拟信号一般通过高频调制以后就可以通过线路进行传输，接收端对输入信号进行解调后，就可以输出模拟信号；而数字信号传输就不同了，数字信号不但需要调制，调制之前还要进行编码，接收端对输入信号首先进行解调，然后再解码。经过编码的信号一般含有同步头，用户码、数据码、自由码、结束码等，这叫做一帧编码，数字信号就是一帧，一帧地进行传送的，如MPEG数字信号，每帧为188bit。对数字信号解码也必须按顺序，一帧，一帧地进行。数码通信的好处是，可以把多路信号，或多个用户信号同时挤在一条线路上，只要这条线路传输码率足够高。这种情况叫打包，或就信号复用，解码时，则需要先拆包（也叫解复用）后才能解码。打包的原理就是上面的帧编码原理，不同传输系统，帧编码的长度是不一样的，因此在进行多种信号传输过程中，经常要拆包和重新打包。数字信号的载波调制是通信系统中很重要部分，我们之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制，未经处理的数字信号源不能适应这些限制。由于传输信道的频带资源总是有限的，因此提高传输效率是通信系统所追求的最重要的指标之一。模拟通信很难控制传输效率，我们最常见到的单边带调幅（SSB）或残留边带调幅（VSB）可以节省近一半的传输频带。由于数字信号只有0和1两种状态，所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关电键控制载波的过程，因此数字信号的调制方式就显得较为单纯。在对传输信道的各个元素进行最充分的利用时可以组合成各种不同的调制方式，并且可以清晰的描述与表达其数学模型。所以常用的数字调制技术有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM的频带利用率可达8bit/s/Hz，八倍于2ASK或BPSK。此外，还有可减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。现代通信系统是一个十分复杂的工程系统，通信系统设计研究也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。随着电子信息技术的发展，已经从仿真研究和设计辅助工具，发展成为今天的软件无线电技术，这就使通信系统的仿真研究具有更重要和更实用的意义。而其中数字信号的传输以成为重中之重。1.3 论文内容安排论文的第1章介绍了课题的背景、目的和意义。第2章介绍了通信系统的调制技术以及ASK调制技术。第3章、第4章讲述了ASK的调制和解调的软件仿真。第5章介绍ASK调制系统的综合仿真。第2章 方案的设计2.1 方案涉及的技术在通信系统中，最重要的是调制解调部分：首先，由于频率资源的有限性，限制了我们无法用开路信道传输信息。再者，通信的最终目的是远距离传递信息。由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号是无法在无线信道或光纤信道上进行长距离传输的。为了进行长途传输，必须对信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。最后，较小的倍频程也保证了良好的带内特性。所以调制就是将基带信号搬移到信道损耗较小的指定的高频处进行传输（即载波传输），调制后的基带信号称为通带信号，其频率比较高。2.1.1 通信系统的调制解调技术在通信系统中，调制解调技术日趋成熟。按照传输特性，调制方式分为线性调制和非线性调制。广义的线性调制，是指已调波中被调参数随调 制信号成线性变化的调制过程。狭义的线性调制,是指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上、下边带的调制过程。此时只改变频谱中各分量的频率，但不改变各分量振幅的相对比例，使上边带的频谱结构与调制信号的频谱相同，下边带的频谱结构则是调制信号频谱的镜像。狭义的线性调制有调幅(AM)、抑制载波的双边带调制(DSB-SC)和单边带调制(SSB)。按照载波的形式分为连续波调制和脉冲调制两类。脉冲调制有脉幅调制(PAM)、脉宽调制（PDM）、脉频调制（PFM）、脉位调制(PPM)、脉码调制(PCM)和增量调制（M）。脉冲调制有两种含义：第一种是指用调制信号控制脉冲本身的参数(幅度、宽度、相位等)，使这些参数随调制信号变化。此时,调制信号是连续波,载波是重复的脉冲序列。第二种是指用脉冲信号控制高频振荡的参数。此时，调制信号是脉冲序列，载波是高频振荡的连续波。通常所说的脉冲调制都是指上述第一种情况。脉冲调制可分为模拟式和数字式两类。模拟式脉冲调制是指用模拟信号对脉冲序列参数进行调制，有脉幅调制、脉宽调制、脉位调制和脉频调制等。数字式脉冲调制是指用数字信号对脉冲序列参数进行调制，有脉码调制和增量调制等。由于脉冲序列占空系数很小，即一个周期的绝大部分时间内信号为0值,因而可以插入多路其他已调脉冲序列，实现时分多路传输。已调脉冲序列还可以用各种方法去调制高频振荡载波。常用的脉冲调制有以下几种。 脉幅调制(PAM)：用调制信号控制脉冲序列的幅度，使脉冲幅度在其平均值上下随调制信号的瞬时值变化。这是脉冲调制中最简单的一种。脉幅调制是A.H.里夫在20世纪30年代发明的，在第二次世界大战中期已付之实用。但后来发现，脉幅调制的已调波在传输途径中衰减,抗干扰能力差,所以现在很少直接用于通信，往往只用作连续信号采样的中间步骤。脉宽调制 (PDM)：用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的宽度，使每个脉冲的持续时间与该瞬时的调制信号值成比例。此时脉冲序列的幅度保持不变，被调制的是脉冲的前沿或后沿，或同时是前后两沿，使脉冲持续时间发生变化。脉宽调制也是20世纪30年代里夫发明的。但在无线电通信中一般不用脉宽调制，因为此时发射机的平均功率要不断地变化。 脉位调制(PPM)：用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置（即相位），使各脉冲的相对位置随调制信号变化。此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变。脉位调制在第二次世界大战中期已付之实用。脉位调制的传输性能较好，常用于视距微波中继通信系统。 脉频调制(PFM)：用调制信号控制脉冲的重复频率，即单位时间内脉冲的个数，使脉冲的重复频率随调制信号变化。此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变。主要用于仪表测量等方面，很少直接用于无线电通信。脉码调制(PCM)：1937年脉幅调制和脉宽调制的发明者A.H.里夫提出用脉冲的有无的组合来传递声音，后来把这种方法称为脉码调制。但脉码调制到20世纪50年代才开始实用化。脉码调制有三个过程：采样、量化和编码。即先对信号进行采样，并对采样值进行量化（整量化），再对经过采样和量化后的信号幅度进行编码，因此脉码调制的本质不是调制，而是数字编码，所以能充分保证传输质量。由编码得到的数字信号可根据需要再对高频振荡载波进行调制。脉码调制不是用改变脉冲序列的参数来传输信息，而是用参数固定的脉冲的不同组合来传递信息，因此抗干扰能力强，失真很小，是现代通信技术的发展方向。 增量调制(M)：增量调制是一种特殊的脉码调制，它不是对信号本身进行采样、量化和编码，而是对信号相隔一定重复周期的瞬时值的增量进行采样、量化和编码。现在已有多种增量调制方法，其中最简单的一种，是在每一采样瞬间当增量值超过某一规定值时发正脉冲，小于规定值时发负脉冲。这样每个码组只有一个脉冲，故为二进制一位编码，每个码组不是表示信号的幅度，而是表示幅度的增量。这种增量调制信号的解调也很简单，只要将收到的脉冲序列进行积分和滤波即可复原，因此编码和解码设备都比较简单。按照调制信号的性质，调制方式又分为模拟调制和数字调制两类。模拟调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。数字调制有振幅键控（ASK）、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)和差分移相键控 (DPSK)等。脉冲调制有脉幅调制(PAM)、脉宽调制（PDM）、脉频调制（PFM）、脉位调制(PPM)、脉码调制(PCM)和增量调制（M）。调制的方法主要是通过改变正弦波的幅度、相位和频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的某个参数上：幅度、频率和相位，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制和相位调制。数字信号只有几个离散值，这就像用数字信号去控制开关选择具有不同参量的振荡一样，为此把数字信号的调制方式称为键控。 模拟调制一般指调制信号和载波都是连续波的调制方式。它有调幅、调频和调相三种基本形式。调幅(AM)：用调制信号控制载波的振幅，使载波的振幅随着调制信号变化。已调波称为调幅波。调幅波的频率仍是载波频率，调幅波包络的形状反映调制信号的波形。调幅系统实现简单,但抗干扰性差,传输时信号容易失真。调频(FM)：用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。已调波称为调频波。调频波的振幅保持不变，调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。调频系统实现稍复杂，占用的频带远较调幅波为宽，因此必须工作在超短波波段。但抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。调相(PM)：用调制信号控制载波的相位，使载波的相位随着调制信号变化。已调波称为调相波。调相波的振幅保持不变，调相波的瞬时相角偏离载波相角的量与调制信号的瞬时值成比例。在调频时相角也有相应的变化，但这种相角变化并不与调制信号成比例。在调相时频率也有相应的变化，但这种频率变化并不与调制信号成比例。在模拟调制过程中已调波的频谱中除了载波分量外在载波频率两旁还各有一个频带，因调制而产生的各频率分量就落在这两个频带之内。这两个频带统称为边频带或边带。位于比载波频率高的一侧的边频带，称为上边带。位于比载波频率低的一侧的边频带，称为下边带。在单边带通信中可用滤波法、相移法或相移滤波法取得调幅波中一个边带，这种调制方法称为单边带调制(SSB)。单边带调制常用于有线载波电话和短波无线电多路通信。在同步通信中可用平衡调制器实现抑制载波的双边带调制(DSB-SC)。在数字通信中为了提高频带利用率而采用残留边带调制(VSB),即传输一个边带（在邻近载波的部分也受到一些衰减）和另一个边带的残留部分。在解调时可以互相补偿而得到完整的基带。 数字调制一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。它有四种基本形式：振幅键控、移频键控、移相键控和差分移相键控。振幅键控 (ASK)：用数字调制信号控制载波的通断。如在二进制中,发0时不发送载波,发1时发送载波。有时也把代表多个符号的多电平振幅调制称为振幅键控。振幅键控实现简单，但抗干扰能力差。 移频键控(FSK)：用数字调制信号的正负控制载波的频率。当数字信号的振幅为正时载波频率为f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为 f2。有时也把代表两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控。移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。 移相键控(PSK)：用数字调制信号的正负控制载波的相位。当数字信号的振幅为正时，载波起始相位取0；当数字信号的振幅为负时,载波起始相位取180。有时也把代表两个以上符号的多相制相位调制称为移相键控。移相键控抗干扰能力强，但在解调时需要有一个正确的参考相位，即需要相干解调。差分移相键控(DPSK)：利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。一个数字调制过程实际上是由两个独立的步骤实现的：映射和调制，这一点与模拟调制不同。映射将多个二元比特转换为一个多元符号，这种多元符号可以是实数信号（在ASK调制中），也可以是二维的复信号（在PSK和QAM调制中）。例如在QPSK调制的映射中，每两个比特被转换为一个四进制的符号，对应着调制信号的四种载波。多元符号的元数就等于调制星座的容量。在这种多到一的转换过程中，实现了频带压缩。应该注意的是，经过映射后生成的多元符号仍是基带数字信号。经过基带成形滤波后生成的是模拟基带信号，但已经是最终所需的调制信号的等效基带形式，直接将其乘以中频载波即可生成中频调制信号。 在二进制中通常规定：传送1时后一码元相对于前一码元的载波相位变化180，而传送0时前后码元之间的载波相位不发生变化。因此，解调时只看载波相位的相对变化。而不看它的绝对相位。只要相位发生180跃变，就表示传输1。若相位无变化，则传输的是0。差分移相键控抗干扰能力强，且不要求传送参考相位，因此实现较简单。数字调制是指用数字数据调制模拟信号，主要有三种形式。如图2-1，这三种形式是：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。图2-1 数字调制的三种基本形式幅度键控（ASK）：即按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例如对应二进制0，载波振幅为0；对应二进制1，载波振幅为1。调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。 频移键控（FSK）：即按数字数据的值（0或1）调制载波的频率。例如对应二进制0的载波频率为F1，而对应二进制1的载波频率为F2。该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。 相移键控（PSK）：即按数字数据的值调制载波相位。例如用180相移表示1，用0相移表示0。这种调制技术抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟，并对传输速率起到加倍的作用。2.1.2 ASK调制解调技术 幅度键控ASK（Amplitude-shift keying）技术是一种数字调制技术，它是连续波调制。ASK指的是振幅键控方式。这种调制方式是根据信号的不同，调节正弦波的幅度。ASK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。除次之外，还有频率键控FSK，相位键控PSK等。 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。那么在接收端我们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)。 多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。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，这种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2-2 所示，其时域数学表达式为： （21）图2-2 ASK信号的典型时域波形式中，A 为未调载波幅度，c 为载波角频率，an为符合下列关系的二进制序列的第n 个码元：=0 出现概率为P （22） =1 出现概率为1-P （23）综合式21 、2-2和式23，令A1，则2ASK 信号的一般时域表达式为： （24）式中， 为码元间隔， g(t) 为持续时间 /2，/2 内任意波形形状的脉冲（分析时一般设为归一化矩形脉冲），而S(t) 就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。为了更深入掌握2ASK 信号的性质，除时域分析外，还应进行频域分析。由于二进制序列一般为随机序列，其频域分析的对象应为信号功率谱密度。设g(t) 为归一化矩形脉冲，若g(t) 的傅氏变换为G(f) ,S(t) 则为二进制随机单极性矩形脉冲序列，且任意码元为0 的概率为P，则S(t) 的功率谱密度表达式为： （25）式中，并与二进制序列的码元速率Rs在数值上相等。可以看出，单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。2ASK信号的双边功率谱密度表达式为： （26）式（26）表明，2ASK 信号的功率谱密度由两个部分组成：（1）由g(t) 经线性幅度调制所形成的双边带连续谱；（2）由被调载波分量确定的载频离散谱。如图2-3为2ASK信号的单边功率谱示意图。图2-3 2ASK信号的单边功率谱密度示意图对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽。在不同应用场合，信号带宽有多种度量定义，但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的“谱零点带宽”，这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含信号大部分功率的信号。显然，2ASK 信号的谱零点带宽为： （2-7）在式（2-7）中，Rs 为二进制序列的码元速率，它与二进制序列的信息率（比特率）Rb（bit/s）在数值上相等。2ASK 信号的产生方法比较简单。首先，因2ASK 信号的特征是对载波的“通断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门，由二进制序列S(t) 控制门的通断，S(t) 1 时开关导通； S(t)0 时开关截止，这种调制方式称为通断键控法。其次，2ASK 信号可视为S(t)与载波的乘积，故用模拟乘法器实现2ASK 调制也是很容易想到的另一种方式，称其为乘积法。在这里，我们采用的是通断键控法，2ASK 调制的基带信号和载波信号分别从“ASK 基带输入”和“ASK 载波输入”输入。ASK的调制有两种实现方法：乘法器实现法和键控法。图2-4为乘法器实现法，乘法器常采用环行调制器。S（t）是调制信号，是载波信号。两个信号经过乘法器频谱搬移后，输出信号经过带通滤波器滤除高频谐波和低频干扰，完成调制。带通滤波器S(t)u(t)e (t)图2-4 乘法器实现法图2-5是键控法。二元制ASK又称为通断控制（OOK）。该方法是用一个电开关来控制载波振荡器的输出，这里的开关电路受控制。当发0码时，控制开关关闭。当发1码时，控制开关打开，载波传输。这样就很简单的实现了ASK的调制。图2-5 键控法2ASK 解调有非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）两种方法，他们的共同原理如图2-6所示。 有源带通滤波、放大、整形分频器判 决电 路图2-6 2ASK解调原理框图如图2-7，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，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。带通滤波器包络检波及低通抽 样 判 决 器调制信号输 入解调信号 输 出图2-7 包络检波法如图2-8，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。带通滤波器低通滤波器抽样判决器位同步信号调制信号输入解调信号输出反向信号图2-8 同步检测法由于信号只有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，这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。2.2 整体方案设计基带信号幅值选择器相乘器控制器载波信号计数器判决器基带信号已调信号信号传输图2-9 整体方案框图方案的设计思路是建立在Quartus II软件上的。首先，要有一个信源，这个信源就用伪随机序列发生器。基带信号和载波信号在控制器的控制下进入调制器。调制出来的信号经过传输，进入解调器，被恢复成基带信号。如图2-9。0 1 0 0 1 1 0 S(t) ASK图2-10 ASK波形在FPGA中采用模拟键控，产生ASK波型，示意波型如图2-10。2.3 本章小结 本章介绍了调制解调技术和整体设计方案。调制解调技术在通信系统中已经是一项比较成熟的技术了，在此理论基础上，设计了ASK载波传输系统实现模型：首先必须有基带信号和载波，然后将它们进行调制并传输到接受器（解调器）中进行解调，得到基带信号。这样就完成了一个简单的传输系统设计。第3章 ASK调制系统软件仿真3.1 调制系统仿真建模如图3-1，是基于FPGA的ASK调制建模方框图，功能的实现是在Quartus II软件上完成的。clkstart分频器基带信号与门载波f已调信号FPGA3-1 ASK调制建模方框图3.2 调制程序由于这部分是软件仿真，发送的是二元数字信号，所以不用通过带通滤波器，直接接入FPGA的调制部分。但是如果在实际传输过程中，不管是模拟信号还是数字信号，为了滤除其余频率，在调制前要接一个带通滤波器。ASK调制的VHDL程序（见附录）主要的思想是通过输入信号和载波相与（AND）来完成调制，但是这里面要注意很多问题，包括载波的产生，分频计数器的设定与系统时钟等等，这些问题都要小心处理，否则会导致程序的错误。整个调制部分的主要程序为：if clkevent and clk=1 then if start=0 then q=0; elsif q=1 then f=1;q=q+1; elsif q=3 then f=0;q=0; else f=0;q=q+1;第一行程序是说在系统时钟的上升沿进行调制。第二行程序则说当系统处于等待状态时，q也为0。第三行就是说当start为1的时候，将1值赋给q并且载波f处于高电平，然后进行一个q值加1的循环。第四行程序意思是当q等于3的时候，载波f就为低电平，然后将0值赋给q。最后一行则说当为低电平时，进行q值加1的循环。由于第四行程序中f=0;q=0，所以可以知道此时q等于1。整个程序的作用就是完成q等于1和2时f为高电平，q等于3和0时f为低电平。控制载波的频率对于一个调制系统是很重要的。知道了载波的频率才能在解调时正确的将信号恢复，而且载波的频率也会影响到传输和误码率等问题。所以载波频率的选择要恰当。这里就是把系统时钟进行4分频，即f的周期为40ns。这部分主要程序可以通过改变第四行q（即q=1）后面数字的大小，改变载波信号的占空比。也可以通过改变q（即q=3和q=0）后面数字的大小，就可以改变载波信号的频率。例如将第三和第四行程序改成这样：elsif q=2 then f=1;q=q+1; elsif q=3 then f=0;q=0; 那么这里就不会有q等于1的状态，载波f的占空比就发生了变化。由于占空比是说在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值，所以这里的占空比是1：3，而源程序中的占空比是1：2，即0.5。所以当需要不同的占空比时，可以改变q值。还可以将第三第四行程序这样改：elsif q=1 then f=1;q=q+1; elsif q=2 then f=0;q=1; 这里q的值就只有1和2。在q等于1时，载波f为高电平。在q等于2时，载波f为低电平。相当于将系统时钟进行2分频。所以如果想改变载波f的频率，改变第四行程序的q值即可。除了上述的改法，还可以改变循环中加的数值，将f的高低电平颠倒过来等改法，十分灵活，这也是VHDL语言实现方法的好处之一。 而对调制信号进行调制的程序则是：y=x and f; 这个程序的作用就是将调制信号x和载波f相与，就可完成调制部分。它的原理就是乘法器实现法。3.3 ASK调制系统仿真在程序编写好了后，生成模块。这个模块就是调制信号的部分。这时也可以看出FPGA实现方法的好处之一：简单、明了。 图3-2 调制模块模块连线图如图3-3，在模块的三个输入端分别接入系统时钟信号clk，允许调制信号start，调制信号x和输出信号y。图3-3 模块连线进行全编译后ASK程序解调仿真图及注释如图3-4(a)。由于FPGA的系统工作频率是有范围的，所以系统时钟频率的设定不能太大，否则系统运行不了那么快的速度，就会造成没有结果或者结果出错。这里最好系统时钟周期设成10ns，以便于观察和输出正确的结果。在start高电平时进行调制,f是载波，q是分频器，f就是q分系统时钟的频率得到的。为了调制过程简单，节省时间，在单独的调制部分不接入m 序列和DDS信号了由于通过软件自身设定信图3-4(a) ASK调制仿真全图3.4 仿真结果调试x和y在280ns附近的二进制码元宽度（后面提到的码元宽度都是二进制的）有点不一样，这是本身设定要注意到的问题：1码和0码的码元宽度要保持长度一致，这个问题在以后要注意。如图3-4(b) ，这个调制的图的1码和0码的码元长度就是一致的，都是载波f的6个周期。他发送的是101码，但是可以看出他每个1码有7个高点平。虽然时间上是载波的6个周期，但是这样就会在解调部分造成误码。所以，在发送码元时，一定要选择在适当的时间传送，即信号输入的时间最好在start由低电平变为高电平时刻的附近，尽量的减少误码的出现。如图3-4(c)，就是选择了正确的时间传送信号。每个码元长度都是载波信号的6个周期。对于发送同样的101码，图3-4（c）就比图3-4（b）要好的多，在观察时很直观，实际应用中也会减少误码率。图3-4（c）里的载波f是系统时钟的4分频，也就是40ns。图3-4(b) ASK调制仿真全图图3-4(c) ASK调制仿真全图由以上的图可知，在调制系统中，要选择正确的传输开始时间，选择合适的载波频率，注意码元的长度一致，否则将很难传输一个正确的信号。这些并不是要光靠系统来完成，设计者在设计初期一直到开始传输信号时都要注意这些问题。如果所有工作都做到，那么信号的传输正确率将会很高，再加上是数字传输系统，误码率可为0。3.5 本章小结本章的主要内容是ASK调制系统软件仿真的实现。用VHDL语言编写一个具有分频器和相乘器的功能模块并进行传输系统的仿真以及结果调试。结果很直观的看出ASK调制系统从输入基带信号到输出已调信号的实现过程。第4章 ASK解调系统软件仿真4.1 解调系统仿真建模如图4-1，是ASK调制建模方框图。clkstart分频器已调信号判决计数器m基带信号FPGA寄存器xx图4-1 ASK调制建模方框图，4.2 解调程序 ASK解调VHDL程序（见附录）的主要思想是通过一个模块内部的记数来判决解调信号的电平。当然，这个记数值的上限是可以通过程序改变的，这也就是说码元宽度是可以随着调制出来的信号而改变，以符合调制信号的各项参数，从而减少误码的出现。程序的主要部分是：if clkevent and clk=1 then xx=x; if start=0 then q=0; elsif q=11 then q=0; else q=q+1;第一行程序的作用是在系统时钟clk上升沿时，把解调信号x赋给中间信号xx。第二行和第三行程序则说当开始信号start等于0时或q值为11时，将q值清零。第四行程序是一个q值加1的循环。这一部分程序具有对系统时钟记数的功能。其中先设定是在系统时钟上升沿工作，然后用if语句完成q的循环计数，当q等于11时循环又从0开始记数。这里面，可以通过改变第三行程序的q=11的值来改变码元宽度。具体的原理在下个程序说明后介绍。完成ASK解调的程序主要是：if q=11 then m=0; elsif q=10 then if m=3 then y=0; . else y=1; end if;elsif xxevent and xx=1then m=m+1; 第一行程序是说当q等于0时将m计数器清零。第二行、第三行和第四行程序则是通过对m大小，来判决y输出的电平。这里当q等于10的时候，如果m的值小于等于3，调制出来的信号是低电平，否则就是高电平。最后一行程序作用是用计数器m计xx信号的脉冲个数。这部分的程序通过对m的数值判断大小来解调信号。码元宽度的设置就和m的设置密切相关。这里的码元宽度是载波的3个周期，如果改动第三行程序中m的值，就可以改变码元宽度，具体的设置值要和调制部分保持一致。4.3 ASK解调系统仿真解调模块如图4-2。图4-2 解调模块模块连线图如图4-3, 在模块的三个输入端分别接入系统时钟信号clk，允许解调信号start，解调信号x和输出信号y。图4-3 模块连线进行全编译后ASK程序解调仿真图及注释如图4-4（a）、（b）、（c）所示。图4-4（a）ASK解调仿真全图上图可以看出，由于解调前的信号x的码元宽度是6个载波周期，而这里一个载波周期是系统时钟周期的两倍，也就是说码元周期是12个系统时钟周期。从图上可以明显看出x信号携带的数据是1011011解调出来后也是1011011，即信号y，没有误码。4.4 仿真结果调试解调的放大图如图4-4（b）。图4-4（b）ASK解调仿真局部放大图x的信号值延时一个系统时钟赋给xx。当x信号出现第一个高电平时，内部计数器m开始记数，在q等于10的时候通过判断m的数值来判决输出信号y是高电平还是低电平。.在q=11时，m清零。在q为其它时，m计xx（x信号的寄存器）的脉冲数。由于在q等于10前没有进行判决，所以之前的y信号都没有输出，这就造成了输出信号y延时输入信号x有9个系统时钟。当然，输入信号x的时刻与允许调制信号start不协调程度不一样的话，造成的延时也不一样，甚至可以造成较严重中的错误。而这里面最要注意到的问题就是前面反复说的码元长度。如果码元长度给定（这里的码元长度等于12个系统时钟周期），那么就需要注意start信号和x信号的同步情况，但是如果码元长度除了问题，最后就结果就会出现较大错误。例如图4-4（c）。图4-4（c）ASK解调仿真全图x信号的第一个码元的长度不够，m在记数时记到3就清零了，符合y输出低电平的条件：if m=3 then y=0。而本来传输的是信号1，y的输出应该是高电平。再看y信号的第一个高电平和相对的x信号的长度不一样。y信号是两个连1，即11，x信号应该是12个载波周期，即24个系统时钟周期，而这里只有9个载波周期，这就让人无法得知传输的信息到底是11还是10。所以这个结果就出现了错误，也就是误码。4-4（a）是正确的方法。4.5 本章小结本章介绍的是ASK解调系统软件仿真的实现。用VHDL语言编写一个具有判决器的功能模块并进行传输系统的仿真以及结果调试。通过结果了解ASK解调系统从信号传输进来到解调输出的全过程。第5章 ASK调制与解调系统综合仿真5.1 基带信号的输入 由于 m序列具有随机性和规律性，好的自相关和互相关性，且很容易产生。基带信号用m序列发生器产生。5.1.1 m序列简介m序列是最大长度线性移位寄存器序列的简称。伪随机信号在雷达、遥控、遥测、通信加密和无线电测量系统领域有着广泛的应用。利用VHDL语言进行软件编程，通过EDA设计软件对程序编译、优化、综合、仿真、适配，最后将生成的网表文件配置于制定的目标芯片中，可以实现不同序列长度的伪随机信号发生器。首先用在扩频通信系统中，3 G及3 G移动通信技术的特征之一是码分多址即CDMA，码是CDMA码分的基础。这里的码就是伪随机码，简称PN码。这是因为伪随机序列（Pseudonoise Sequenec）具有类似于随机信号的一些统计特性