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基于FPGA的ASK载波传输系统设计
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
ThedesignofASKcarriertransmissionsystembasedonFPGA
Abstract:
ThedevelopmentofmodernCommunicationsystementersonanewstagealongwiththeappearanceofVHDLandimplementofASIC.Themethodofordinarytransmissionsystemdesignalreadycouldnotmeettheoperationrequirements.Becausemostoftherealsignalarebandpasssignal,itisnecessarytousebasebandsignaltomodulatecarrierwaveandgeneratedigitalmodulationsignaltobetransferred,thusthetechnologyofthemodulationanddemodulationistheimportantmethodsofthemoderncommunication.BasedonthestudyofASKcarriertransmissionsystem,thesimulationonASKmodulationanddemodulationhasbeendesignedbasedonFPGA.Firstly,thedesignofsimulationonASKcarriertransmissionsystemwaschosen.Secondly,therequiredprocedurehascompiled,includingbasebandsignalproducing,functionofmodulationanddemodulationrealizing.Finally,thesimulationontheoverallsystemwasconducted.Then,theresultmistakewasanalyzedandthedesignwasimproved.Theresultindicatesthemethodofdemodulation,whichcontroltheoutputofASKbyFPGA,issimple.Theerrorcoderateislow.Theefficiencyisimproved.Theefficiencyofdigitalcommunicationsystemisadvancedandthecostislowered.
Keywords:
Amplitude-shiftkeyingtechnology,Modulation,Demodulation,Errorcode
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。
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（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/Hz～3bit/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（ΔM）。
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。
①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。
②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。
③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。
④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。
⑤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。
⑥增量调制（ΔM）：
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（ΔM）。
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。
①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。
②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。
③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。
①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。
②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。
③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。
④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。
2.1.2ASK调制解调技术
幅度键控ASK（Amplitude-shiftkeying）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：
（2－1）
图2-2ASK信号的典型时域波形
式中，A为未调载波幅度，ωc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（2－2）
=1出现概率为1-P（2－3）
综合式2－1、2-2和式2－3，令A＝1，则2ASK信号的一般时域表达式为：
（2－4）
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：
（2－5）
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：
（2－6）
式（2－6）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2-32ASK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
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