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1、1编号：南阳师范学院 2007 届毕业生毕业论文（设计）题 目： 基于 EDA 技术的二进制振幅键控调制与解调 完 成 人： 班 级： 2003-03 学 制： 4 年 专 业： 电子信息与科学技术 指导教师： 完成日期： 2007-03-31 2目 录摘要 1 引言 .（1）2 二进制幅度键控 2ASK .（2）2.1 原理与实现方法 .（2）2.2 2ASK 信号的功率谱及带宽 .（4）2.3 2ASK 系统的抗噪声性能 .（6）3 总体设计思路 .（10）4 ASK 调制方法 .（11）4.1 ASK 调制方法 .（11）4.2 ASK 解调方法 .（12）5 结 论 .（13）参 考
2、文 献.（13）Abstract.（14）附录 .（15）第 1 页( 共 15 页)基于 EDA 技术的二进制振幅键控调制与解调作 者：郭增超指导老师：黄义定摘 要：基于 EDA 的种种优势，本文在 阐述数字通信中二进制振幅键控信号的调制与解调的基本原理和 EDA 技术及其系统 描述设计语言 VHDL 语言的基本特点和语法结构的基础上，给出了在 MAX+Plus开发软件环境下，利用VHDL 系统硬件描述语言设计二进制振幅键控信号的调制与解调的具体方法及仿真分析结果，在 FPGA 上进 行验证，实现控制功能。关键词：EDA 技术；二进制振幅键控；调制；解调1 引言数字调制技术是现代通信的一个重
3、要内容在数字通信领域，由于数字信号具有丰富的低频成分。不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而需要将基带信号进行数字调制 1。数字调制同时也是数字信号分复使用的基本技术。数字调治与模拟调治具有许多类似的特点，一般都是利用调制信号对正弦型载波进行调制，使载波幅度/频率相位发生变化以携带调制信号的信息；两者的主要区别表现在模拟调制是用模拟调制信号去调制载波，而数字调制是用数字信号去调制载波 2。但是，与模拟调制系统对比，数字的突出优点之一，是抗干扰噪声能力强。在采用模拟调制的传输系统中，一旦产生失真或引入干扰，且这些干扰的频率又于信号的频谱重叠，则他们对解调信号的影响是难以消除的，而采用数字调制系统
4、，尽管解调信号存在失真或干扰，但只要取样判断电路能正确判定每个码元所代表的是 1 还是 0。就可不失真的重现原信号。振幅键控是数字通信中经常使用的一种调制解调方法。ASK 方法简单，易于实现，也可异步传输，抗噪声和抗第 2 页( 共 15 页)衰性能好。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。因此 ASK 主要应用于低，中数据传输，以及衰落信道和频带较宽的通信中。以往的振幅键控调制与解调采用“固定功能集成电路+连线”方式设计，集成块多，连线复杂。容易出错，且体积较大。本设计采用 VHDL-93 语言进行设计，具有良好的可移植性和产品升级的系统性采用 Altera 公司的 FPGA 芯片，有效的缩
5、小了系统的体积。2 二进制幅度键控 2ASK2.1 原理与实现方法 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” 。借助于幅度调制的原理，2ASK 信号可表示为 0()costte（1）式中， 为载波角频率， 为单极性 NRZ 矩形脉冲序列 c()t()(nbstagtT（2）其中，g(t)是持续时间为 、高度为 1 的矩形脉冲，常称为门函数；b为二进制数字na1,0nP出 现 概 率 为出 现 概 率 为 （ 1-）
6、（3）2ASK 信号的产生方法（调制方法）有两种，如图 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）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）给出了 s(t)及 的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状0e第 3 页( 共 15 页)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） 。图 1 2ASK 信号产生方法 2 相应波形2ASK 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 3。包络检波法的原理方框图如图 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
7、。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 (4)0()costtey=包络检波器输出为 s(t)。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列 。na2()cos()cs()1cos2)ztttty（5）相干检测法原理方框图如图 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，输出为图 2 A
8、SK 信号的包络解调图 3 ASK 信号的相干解调第 4 页( 共 15 页)经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出 s(t)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。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 4。 2.2 2ASK 信号的功率谱及带宽 前面已经得到，一个 2ASK 信号 可以表示成0()te0()costte（6）这里，s(t)是代表信息的
9、随机单极性矩形脉冲序列。现设 s(t)的功率谱密度为 ， 的功率谱密度为 ，则由()sPf0(te()ePf式（5）可以证得()()()14escscPfff（7）对于单极性 NRZ 码，有2()()1144sbabPfTSff（8）代入式（6） ，得 2ASK 信号功率谱 22()()()()()11 6beacbacbccfSfTSfTff（9）其示意图如图 4 所示。 由图 4 可见：（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 s(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。（2）如同双边带调制一样，2ASK 信号的带宽 是数字基带信
10、号2ASKB带宽 的两倍。sB第 5 页( 共 15 页)22sASKbBfT（10）图 4 2ASK 的信号频率谱（3）因为系统的传码率 （Baud） ，故 2ASK 系统的频带利用1/BbRT率为(/)12baudHzTf（11）这意味着用 2ASK 方式传送码元速率为 的二进制数字信号时，BR要求该系统的带宽至少为 2 （Hz）BR2.3 2ASK 系统的抗噪声性能如前所述，通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声的能力。在数字系统中它通常采用误码率来衡量。由于加性噪声被认为只对信号的接收产生影响，故分析系统的抗噪声性能只需考虑接收部分。假定信道噪声为加性高斯白噪声 n(t)，其均值为
11、0、方差为 ；2接收的信号为第 6 页( 共 15 页)0,()cosstAt发 “”， 发 “1”（12）（1）包络检测时 2ASK 系统 5的误码率 对于包络检测接收系统，其接收带通滤波器 BPF 的输出为cos()cos()sin,()()i,ci cAtnttytsnt 发 “1”发 “0”（13）其中， 为高斯白噪声经 BPF 限带()s()siicccttt后的窄带高斯白噪声。经包络检波器检测，输出包络信号22()(),()csAnttxt发 ”1“， 发 0（14）由式（12）可知，发“1”时，接收带通滤波器 BPF 的输出 y(t)为正弦波加窄带高斯噪声形式；发“0”时，接收带通滤波器 BPF 的输出 y(t)为纯粹窄带高斯噪声形式。于是，根据分析，得：发“1”时，BPF 输出包络 x(t)的抽样值 x 的一维概率密度函数 服从莱1()xf斯分布；而发“0”时，BPF 输出包络 x(t)的抽样值 x 的一维概率密度函数 服从瑞利分布，如图 5 所示。0()xf图 5 包络检波时误码率的几何表示x(t)亦即抽样判决器输入信号，对其进行抽样判决后即可确定接收码元是“1”还是“0” 。我们规定
