1、1目录1 2ASK 的 FPGA 中的实现 .21.1 2ASK 基本原理 31.1.1 2ASK 信号的时域表达式与波形 .31.1.2 2ASK 信号的功率谱密度 .31.2 2ASK 调制解调原理方法 61.2.1 2ASK 调制原理方法 .61.2.2 2ASK 解调原理方法 .71.3 2ASK 调制解调的 FPGA 的实现与调试 71.3.1 2ASK 的 FPGA 实现方案 71.3.2 2ASK 调制部分的代码设计 .101.3.3 2ASK 解调部分代码设计 .111.3.4 功能仿真 121.3.5 板上调试 .141.4 总结 .161.5 思考题 181.6 参考文献
2、1921 2ASK 的 FPGA 中的实现2ASK(振幅键控调制)是根据载波信号的有无传输数字信号”0”和”1”的一种最基本的数字调制方式。1.1 2ASK 概述及原理1.1.1 2ASK 的发展及应用振幅键控法（2ASK）最初用于电报系统， （用在传递莫斯 Morse 电码上面，莫斯在早期的“无线”应用上广为采用，通过开关的长度传递码元）但由于它在抗噪声的能力上较差，故在数字通信中用得不多。不过，二进制振幅键控常常作为研究其他数字调制方式的基础，因此，熟悉它仍然是必要的。ASK 的 应 用 ： ASK 和 OOK 通信协议通常用在近距离无线通信应用中，例如家庭自动化、工业网络、无线基站、遥控
3、无钥匙进入系统(RKE)以及胎压监测系统(TPMS)。OOK 特别适合电池供电的便携式设备使用，因为这样的系统在发送0时无需发送载波，因而可以节省功率。不同的应用涉及的载波频率可能变化很大，例如在某些基站的低频有线通信中约为 2MHz，在使用 ISM 频段(工业、科学和医疗)的短距离无线通信中约 433MHz。各种无线技术，包括蓝牙、ZigBee、Wi-Fi 在当前的消费电子行业中已经取得了一定进展。这些协议提供了设备之间安全通信的机制，通常都工作在2.4GHz 的 ISM 频段，并且组合使用频移键控 (FSK)、相移键控 (PSK)和幅移键控(ASK)调制技术。这些技术提供的安全性包括通信的
4、信道跳频和扩频模式。这种方案很难被侦听到，因此具有很高的安全性，并能改善抗噪声性能。所有这些方法在发送0和1的时候都会消耗发送功率。遗憾的是，这些协议还是具有相对较高的复杂性以及较高的硬件实现成本，特别是当安全性和高抗噪声性不是硬性要求的时候。ASK 缺点：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,只能用在像电缆一类的恒参信道中。31.1.2 2ASK 基本原理1） 2ASK 信号的时域表达式与波形 设信息源发出消息代码 是由二进制符号 1、0 组成的序列，假定符号 1出现的概率为 P，符号 0 出现概率为 1-P，它们彼此独立。即：（1-1 ）（1-2 ）其
5、中 为码元宽度，则 单极性不归零脉冲序列，则根据幅度调制的原理，一个二进制的振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘，即：（1-3 ）令 ，则二进制振幅键控信号可表示为:（1-4 ）其中 为基带数字信号。 2ASK 信号的波形:图 1-1 二进制振幅键控(2ASK)信号的波形示意图2 ）2ASK 信号的功率谱密度二进制振幅键控信号的时域表达式为(1-5) 4其中:且 为随机变量2ASK 信号的功率谱密度的表达式二进制振幅键控信号的时域表达式为(1-6) 其中:且 为随机变量则 为一随机的单极性矩形脉冲序列，设 的功率谱密度为 ，的功率谱密度为 ，则有 (1-7) 由上
6、式可知， 可 由确定。因 是单极性的随机矩形脉冲序列， 的功率谱密度 为:(1-8)设 的傅立叶变换为 ，根据矩形波 的频谱特点，对于 的所有整数有 ，所以 5(1-9) 将式(1-9)代入式(1-7) 得矩形波调幅时 2ASK 的功率谱密度为(1-10) 当概率 时，上式可写成(1-11)又因为 的频谱为所以(1-12) (1-13)(1-14)由以上各式可得：(1-15)2ASK 信号的功率谱的特点： （1）2ASK 信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成 （2）2ASK 信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍61.2 2ASK 调制解调原理方法1.2.1 2ASK 调制原理方法2ASK 信号
7、的产生有两种方法:一种是通过调制信号与载波相乘来实现相乘电路法；另外一种是通过用调制信号控制开关电路的痛断来选择载波的有无实现的通- 断键控法；（1）相乘电路法: b ( t )c o s wctS2 A S K ( t )图 1-2 二进制振幅键控(2ASK)信号的产生方法之一:相乘电路法（2）通-断键控法: 载波发生器开关电路用 b ( t ) 控制电路S2 A S K ( t )图 1-3 二进制振幅键控(2ASK)信号的产生方法之二:键控法图 1-3 中，当基带信号 为高电平时，开关电路如图所示，当基带信号为低电平时，开关处于断开状态，二进制振幅键控信号状态为零，此时二进制振幅键控信号
8、又常称为通-断键控信号(OOK 信号 )。71.2.2 2ASK 解调原理方法2ASK(OOK)信号的解调通常有两种方法:一种是相干解调；另外一种是包络检波的非相干解调。（1）非相干解调法(包络检波法 ) 带通滤波器低通滤波器包络提取抽样判决器定时脉冲S2 A S K ( t )r ( t ) D n 图 1-4 二进制振幅键控信号的非相干接收系统方框图此方案的优点是：不需要提取载波，实现简单。（2）相干解调法带通滤波器低通滤波器抽样判决器定时脉冲S2 A S K ( t )y ( t ) D n 载波c o s wct图 1-5 二进制振幅键控信号的相干接收系统方框图此方案优点：系统误码率比
9、非相干解调的要低，但相差并不大。1.3 2ASK 调制解调的 FPGA 的实现与调试1.3.1 2ASK 的 FPGA 实现方案2ASK 的 FPGA 的实现在同一种调制解调方案下，可以用不同的实现方法来实现，接着本章就介绍 2ASK 实现的的各种方法以及介绍本文实现的方法。1.2ASK调制实现方案82ASK 信号的产生实现比较简单，如图 1-6：图 1-6 2ASK 调制信号的产生框图输入信号是 01 信号，通过二选一开关，当信号为零时直接输出 0，当信号为一时，使信号和载波相乘，这样就可以产生 2ASK 调制信号。载波可以用正弦波，也可以用数字载波。如用正弦波作为载波，则在解调的时候必须用
10、上面原理介绍的解调方法。如选用数字载波，则在解调时只需要通过对一个信号周期内的调制信号进行脉冲计数，便可实现解调。2. 2ASK解调实现方案以正弦波为载波的 2ASK 解调在原理部分已经介绍，在此不再赘述。下面介绍以数字信号为载波的 2ASK 信号的解调。1）计数器法解调方案解调框图如下：图 1-7 以数字信号为载波的 2ASK 信号解调框图时钟计数器进行以信号周期为周期的循环计数，为判别模块提供判别时刻，调制信号计数器也是以信号周期为周期的循环计数器，将判别时刻的计数值送入判别模块进行判别，由此实现解调。2）同步采样解调方案同步采样法的解调原理框图如下：9D P L L采样判别模块2 A S
11、 K 调制信号载波信号提供采样时刻解调输出图 1-8 提取载波同步后调制信号采样的原理框图解调思想：根据 2ASK 调制信号的特点，即：在高电平调制的地方有载波，而低电平调制的地方没有载波。所以可以通过载波同步信号采样，即可恢复出调制信号，但是采样时刻要和数据位同步，在这里是通过 DPLL 数字锁相环实现了与载波的信号锁相后，再利用锁相后信号的下降沿采样调制信号，即可实现了 2ASK 的解调。3. 2ASK实现方案的选择根据前面的分析，可以知道。用数字信号为载波来实现 2ASK 相对容易很多，原理也简单。传统的以正弦波为载波的 2ASK，实现起来可以增进对通信原理的理解。两种实现方法各有各自的
12、优点，本次实验从容易的开始做，因此选用数字载波。对于 2ASK 解调方案的选择：方案一：通过计数器实现解调，整体实现起来比较简单，但其只能实现调制信号为固定长度的解调，使用起来非常局限。方案二：通过采样解调，整体电路设计比方案一稍难，但是其可以对任何信号进行解调，克服了方案一的缺点。 （这里是直接把调制端的载波信号连接到解调模块的）经过方案比较，两种方案都比较容易在 FPGA 中实现，但考虑到对通信原理中调制解调原理的理解以及其实用性，这里采用方案二解调。1.3.2 2ASK 调制部分的代码设计module two_ASK(clk,reset,en,sig_S,out_rdy,carriers
13、,modata);input clk;input reset;10input en;output modata;output carriers;output sig_S,out_rdy;reg 1:0 cnt;reg carriers;wire modata; reg sig_S,out_rdy;reg2:0 addr;reg2:0 count;parameter COUNT=3d7;always (posedge clk)begin:initial_controlif(reset) begin addr=(n/2)-1)begin clkout=clkout;count=0;endelsecount=count+1;endendmodul
