通信毕业设计：基于VHDL的ASK调制与解调设计与实现

第I页共II页目录1引言.................................................................11.1课题研究的背景与意义...............................................11.2课题的研究现状.....................................................11.3本文的结构及主要工作...............................................22ASK调制解调系统的原理...............................................42.1ASK调制原理及设计方法.............................................42.2ASK解调原理及设计方法.............................................52.3ASK信号的功率谱及带宽.............................................62.4ASK系统的抗噪声性能...............................................82.4.1包络检测时2ASK系统的误码率......................................82.4.2相干解调时2ASK的系统误码率.....................................103ASK调制与解调的VHDL系统建模.......................................123.1软件平台介绍......................................................123.2ASK调制与解调系统的具体设计......................................153.3基于VHDL的ASK调制系统仿真与分析.................................163.4基于VHDL的ASK解调系统仿真与分析.................................193.5ASK调制解调联合对比..............................................213.6本章总结..........................................................234基于VHDL的MASK调制系统设计与仿真..................................244.1多进制振幅调制....................................................244.2基于VHDL的MASK调制系统实现......................................245总结................................................................26附录................................................................271ASK调制VHDL程序...................................................272ASK解调VHDL程序...................................................283MASK调制VHDL程序..................................................29参考文献..............................................................32第1页共35页1引言1.1课题研究的背景与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【1】。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【2】。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。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，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响【3】。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【4】。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【5】。ASK（Amplitude－ShiftKeying）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【6】。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【7】。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【8】。1.2课题的研究现状近十几年来，随着计算机，人工智能，模式识别的信号处理等技术的飞速发展。通信信号的自动调制识别技术得到长足的发展。数字调制传输在现代通信中发挥着越来越重要的作用，主要是因为数字通信有以下优点【9】：第2页共35页①数字信号便于存储、处理、抗干扰能力强③数字信号便于交换和传输④可靠性高，传输过程中的差错可以设法控制⑤数字信号易于加密且保密性强⑥通用性和灵活性好。ASK（Amplitude－ShiftKeying）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【10】: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【11】。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【12】。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【13】，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。1.3本文的结构及主要工作本文论述了基于VHDL及CPLD实现ASK数字调制系统的方法，其实现步骤包括：1.研究2ASK调制解调系统的原理及设计方法以及2ASK的频谱和抗噪声性能；2.根据各个系统的总体功能与硬件特点，设计总体框图；3.根据VHDL语言特点，对系统进行VHDL建模；4.根据VHDL模型，进行具体VHDL语言程序设计；5.对设计的程序进行波形仿真与调试。第3页共35页6.基于VHDL的MASK调制研究第4页共35页2ASK调制解调系统的原理2.1ASK调制原理及设计方法数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。借助于第3章幅度调制的原理，2ASK信号可表示为ttseccos)(0(2.1）式中，c为载波角频率，)(ts为单极性NRZ矩形脉冲序列)()(bnnnTtgats（2.2）其中，)(tg是持续时间为bT、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数，na为二进制数字ppna出现概率为）出现概率为（,11,0{（2.3）2ASK信号的产生方法（调制方法）有两种，如下图2.1所示：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)(ts控制。图（c）给出)(0te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）。第5页共35页图2.1ASK信号产生方法及波形2.2ASK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2.2所示: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ttstetyccos)()()(0，包络检波器输出为)(ts。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列}{na。相干检测法原理方框图如图2.3所示: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。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为ttststtsttsttytzcccc2cos)(21)(21)2cos1)((21cos)(cos)()(2(2.4)第6页共35页图2.22ASK信号的包络解调图2.32ASK的相干解调经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出)(ts信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲【14】。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【15】。2.3ASK信号的功率谱及带宽从2ASK的原理可知，一个2ASK信号)(0te可以表示成ttseccos)(0（2.5）这里，)(ts是代表信息的随机单极性矩形脉冲序列。现设)(ts的功率谱密度为)(fPs，)(0te的功率谱密度为)(fPe，则由式（2.5）可以证得)]()([41)(cscseffPffPfP（2.6）第7页共35页对于单极性NRZ码，有)(41)(41)(2ffTSaTfPbbs（2.7）代入式（2.6），得2ASK信号功率谱：)]()([161]})([])([{16)(22ccbcbcbeffffTffSaTffSaTfP（2.8）可知：（1）2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号)(ts经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。（2）2ASK信号的带宽ASKB2是数字基带信号带宽sB的两倍bsASKfTBB2222（2.9）图2.42ASK信号的功率谱（3）因为系统的传码率bBT