【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ：=0 出現(xiàn)概率為P （2－2） =1 出現(xiàn)概率為1P （2－3）綜合式2－1 、22和式2－3，令A(yù)＝1，則2ASK 信號(hào)的一般時(shí)域表達(dá)式為： （2－4）式中， 為碼元間隔， g(t) 為持續(xù)時(shí)間 [－/2，/2] 內(nèi)任意波形形狀的脈沖（分析時(shí)一般設(shè)為歸一化矩形脈沖），而S(t) 就是代表二進(jìn)制信息的隨機(jī)單極性脈沖序列。為了更深入掌握2ASK 信號(hào)的性質(zhì)，除時(shí)域分析外，還應(yīng)進(jìn)行頻域分析。由于二進(jìn)制序列一般為隨機(jī)序列，其頻域分析的對(duì)象應(yīng)為信號(hào)功率譜密度。設(shè)g(t) 為歸一化矩形脈沖，若g(t) 的傅氏變換為G(f) ,S(t) 則為二進(jìn)制隨機(jī)單極性矩形脈沖序列，且任意碼元為0 的概率為P，則S(t) 的功率譜密度表達(dá)式為： （2－5）式中，并與二進(jìn)制序列的碼元速率Rs在數(shù)值上相等?？梢钥闯?，單極性矩形脈沖隨機(jī)序列含有直流分量。2ASK信號(hào)的雙邊功率譜密度表達(dá)式為： （2－6）式（2－6）表明，2ASK 信號(hào)的功率譜密度由兩個(gè)部分組成：（1）由g(t) 經(jīng)線性幅度調(diào)制所形成的雙邊帶連續(xù)譜；（2）由被調(diào)載波分量確定的載頻離散譜。如圖23為2ASK信號(hào)的單邊功率譜示意圖。圖23 2ASK信號(hào)的單邊功率譜密度示意圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析的主要目的之一就是確定信號(hào)的帶寬。在不同應(yīng)用場(chǎng)合，信號(hào)帶寬有多種度量定義，但最常用和最簡(jiǎn)單的帶寬定義是以功率譜主瓣寬度為度量的“譜零點(diǎn)帶寬”，這種帶寬定義特別適用于功率譜主瓣包含信號(hào)大部分功率的信號(hào)。顯然，2ASK 信號(hào)的譜零點(diǎn)帶寬為： （27）在式（27）中，Rs 為二進(jìn)制序列的碼元速率，它與二進(jìn)制序列的信息率（比特率）Rb（bit/s）在數(shù)值上相等。2ASK 信號(hào)的產(chǎn)生方法比較簡(jiǎn)單。首先，因2ASK 信號(hào)的特征是對(duì)載波的“通－斷鍵控”，用一個(gè)模擬開關(guān)作為調(diào)制載波的輸出通/斷控制門，由二進(jìn)制序列S(t) 控制門的通斷，S(t) ＝1 時(shí)開關(guān)導(dǎo)通； S(t)＝0 時(shí)開關(guān)截止，這種調(diào)制方式稱為通－斷鍵控法。其次，2ASK 信號(hào)可視為S(t)與載波的乘積，故用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)2ASK 調(diào)制也是很容易想到的另一種方式，稱其為乘積法。在這里，我們采用的是通－斷鍵控法，2ASK 調(diào)制的基帶信號(hào)和載波信號(hào)分別從“ASK 基帶輸入”和“ASK 載波輸入”輸入。ASK的調(diào)制有兩種實(shí)現(xiàn)方法：乘法器實(shí)現(xiàn)法和鍵控法。圖24為乘法器實(shí)現(xiàn)法，乘法器常采用環(huán)行調(diào)制器。S（t）是調(diào)制信號(hào)，是載波信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器頻譜搬移后，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除高頻諧波和低頻干擾，完成調(diào)制。帶通濾波器S(t)u(t)e (t)圖24 乘法器實(shí)現(xiàn)法圖25是鍵控法。二元制ASK又稱為通斷控制（OOK）。該方法是用一個(gè)電開關(guān)來(lái)控制載波振蕩器的輸出，這里的開關(guān)電路受控制。當(dāng)發(fā)0碼時(shí)，控制開關(guān)關(guān)閉。當(dāng)發(fā)1碼時(shí)，控制開關(guān)打開，載波傳輸。這樣就很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了ASK的調(diào)制。圖25 鍵控法2ASK 解調(diào)有非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）兩種方法，他們的共同原理如圖26所示。 有源帶通濾波、放大、整形分頻器判 決電 路圖26 2ASK解調(diào)原理框圖如圖27，包絡(luò)檢波法是一種非相干解調(diào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器抑制來(lái)自信道的帶外干擾，然后進(jìn)行解調(diào)和抽樣判決。采用包絡(luò)檢波法的接收系統(tǒng)通常工作在大噪比的情況下，最佳門限值為接收信號(hào)包絡(luò)值的一半，也就是說(shuō)對(duì)于2ASK的包絡(luò)檢波法來(lái)說(shuō)，最佳門限值和接收信號(hào)的包絡(luò)值有關(guān)，這個(gè)特性使得2ASK不適用于變參信道。帶通濾波器包絡(luò)檢波及低通抽 樣 判 決 器調(diào)制信號(hào)輸 入解調(diào)信號(hào) 輸 出圖27 包絡(luò)檢波法如圖28，同步檢測(cè)法也稱相干解調(diào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器抑制來(lái)自信道的帶外干擾，相乘器進(jìn)行頻譜反向搬移，以恢復(fù)基帶信號(hào)。低通濾波器用來(lái)抑制相乘器產(chǎn)生的高次諧波干擾，通常判決電平取A/2。帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器位同步信號(hào)調(diào)制信號(hào)輸入解調(diào)信號(hào)輸出反向信號(hào)圖28 同步檢測(cè)法由于信號(hào)只有1和0兩種狀態(tài)，因此只需要在每個(gè)信號(hào)間隔內(nèi)做出一次判決即可，這由采樣判決電路完成。在相同大信噪比情況下，2ASK信號(hào)相干解調(diào)時(shí)的誤碼率總是低于包絡(luò)檢波時(shí)的誤碼率，即相干解調(diào)2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)系統(tǒng)，但兩者相差并不太大。然而，包絡(luò)檢波解調(diào)不需要穩(wěn)定的本地相干載波，故在電路上要比相干解調(diào)簡(jiǎn)單的多。雖然2ASK信號(hào)中確實(shí)存在著載波分量，原則上可以通過(guò)窄帶濾波器或鎖相環(huán)來(lái)提取同步載波，但這會(huì)給接收設(shè)備增加復(fù)雜性。因此，實(shí)際中很少采用相干解調(diào)法來(lái)解調(diào)2ASK信號(hào)。但是，包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng)，相干檢測(cè)法無(wú)門限效應(yīng)。所以，一般而言，對(duì)2ASK系統(tǒng)，大信噪比條件下使用包絡(luò)檢測(cè)，即非相干解調(diào)，而小信噪比條件下使用相干解調(diào)。 整體方案設(shè)計(jì)基帶信號(hào)幅值選擇器相乘器控制器載波信號(hào)計(jì)數(shù)器判決器基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)信號(hào)傳輸圖29 整體方案框圖方案的設(shè)計(jì)思路是建立在Quartus II軟件上的。首先，要有一個(gè)信源，這個(gè)信源就用偽隨機(jī)序列發(fā)生器。基帶信號(hào)和載波信號(hào)在控制器的控制下進(jìn)入調(diào)制器。調(diào)制出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸，進(jìn)入解調(diào)器，被恢復(fù)成基帶信號(hào)。如圖29。0 1 0 0 1 1 0 S(t) ASK圖210 ASK波形在FPGA中采用模擬鍵控，產(chǎn)生ASK波型，示意波型如圖210。 本章小結(jié) 本章介紹了調(diào)制解調(diào)技術(shù)和整體設(shè)計(jì)方案。調(diào)制解調(diào)技術(shù)在通信系統(tǒng)中已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)了，在此理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了ASK載波傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型：首先必須有基帶信號(hào)和載波，然后將它們進(jìn)行調(diào)制并傳輸?shù)浇邮芷鳎ń庹{(diào)器）中進(jìn)行解調(diào)，得到基帶信號(hào)。這樣就完成了一個(gè)簡(jiǎn)單的傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第3章 ASK調(diào)制系統(tǒng)軟件仿真 調(diào)制系統(tǒng)仿真建模如圖31，是基于FPGA的ASK調(diào)制建模方框圖，功能的實(shí)現(xiàn)是在Quartus II軟件上完成的。clkstart分頻器基帶信號(hào)與門載波f已調(diào)信號(hào)FPGA31 ASK調(diào)制建模方框圖 調(diào)制程序由于這部分是軟件仿真，發(fā)送的是二元數(shù)字信號(hào)，所以不用通過(guò)帶通濾波器，直接接入FPGA的調(diào)制部分。但是如果在實(shí)際傳輸過(guò)程中，不管是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，為了濾除其余頻率，在調(diào)制前要接一個(gè)帶通濾波器。ASK調(diào)制的VHDL程序（見附錄）主要的思想是通過(guò)輸入信號(hào)和載波相與（AND）來(lái)完成調(diào)制，但是這里面要注意很多問(wèn)題，包括載波的產(chǎn)生，分頻計(jì)數(shù)器的設(shè)定與系統(tǒng)時(shí)鐘等等，這些問(wèn)題都要小心處理，否則會(huì)導(dǎo)致程序的錯(cuò)誤。整個(gè)調(diào)制部分的主要程序?yàn)椋篿f clk39。event and clk=39。139。 then if start=39。039。 then q=0。 elsif q=1 then f=39。139。q=q+1。 elsif q=3 then f=39。039。q=0。 else f=39。039。q=q+1。第一行程序是說(shuō)在系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行調(diào)制。第二行程序則說(shuō)當(dāng)系統(tǒng)處于等待狀態(tài)時(shí)，q也為0。第三行就是說(shuō)當(dāng)start為1的時(shí)候，將1值賦給q并且載波f處于高電平，然后進(jìn)行一個(gè)q值加1的循環(huán)。第四行程序意思是當(dāng)q等于3的時(shí)候，載波f就為低電平，然后將0值賦給q。最后一行則說(shuō)當(dāng)為低電平時(shí)，進(jìn)行q值加1的循環(huán)。由于第四行程序中f=39。039。q=0，所以可以知道此時(shí)q等于1。整個(gè)程序的作用就是完成q等于1和2時(shí)f為高電平，q等于3和0時(shí)f為低電平。控制載波的頻率對(duì)于一個(gè)調(diào)制系統(tǒng)是很重要的。知道了載波的頻率才能在解調(diào)時(shí)正確的將信號(hào)恢復(fù)，而且載波的頻率也會(huì)影響到傳輸和誤碼率等問(wèn)題。所以載波頻率的選擇要恰當(dāng)。這里就是把系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行4分頻，即f的周期為40ns。這部分主要程序可以通過(guò)改變第四行q（即q=1）后面數(shù)字的大小，改變載波信號(hào)的占空比。也可以通過(guò)改變q（即q=3和q=0）后面數(shù)字的大小，就可以改變載波信號(hào)的頻率。例如將第三和第四行程序改成這樣：elsif q=2 then f=39。139。q=q+1。 elsif q=3 then f=39。039。q=0。 那么這里就不會(huì)有q等于1的狀態(tài)，載波f的占空比就發(fā)生了變化。由于占空比是說(shuō)在一串理想的脈沖序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值，所以這里的占空比是1：3，而源程序中的占空比是1：2。所以當(dāng)需要不同的占空比時(shí)，可以改變q值。還可以將第三第四行程序這樣改：elsif q=1 then f=39。139。q=q+1。 elsif q=2 then f=39。039。q=1。 這里q的值就只有1和2。在q等于1時(shí)，載波f為高電平。在q等于2時(shí)，載波f為低電平。相當(dāng)于將系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行2分頻。所以如果想改變載波f的頻率，改變第四行程序的q值即可。除了上述的改法，還可以改變循環(huán)中加的數(shù)值，將f的高低電平顛倒過(guò)來(lái)等改法，十分靈活，這也是VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)方法的好處之一。 而對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的程序則是：y=x and f。 這個(gè)程序的作用就是將調(diào)制信號(hào)x和載波f相與，就可完成調(diào)制部分。它的原理就是乘法器實(shí)現(xiàn)法。 ASK調(diào)制系統(tǒng)仿真在程序編寫好了后，生成模塊。這個(gè)模塊就是調(diào)制信號(hào)的部分。這時(shí)也可以看出FPGA實(shí)現(xiàn)方法的好處之一：簡(jiǎn)單、明了。 圖32 調(diào)制模塊模塊連線圖如圖33，在模塊的三個(gè)輸入端分別接入系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)clk，允許調(diào)制信號(hào)start，調(diào)制信號(hào)x和輸出信號(hào)y。圖33 模塊連線進(jìn)行全編譯后ASK程序解調(diào)仿真圖及注釋如圖34(a)。由于FPGA的系統(tǒng)工作頻率是有范圍的，所以系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的設(shè)定不能太大，否則系統(tǒng)運(yùn)行不了那么快的速度，就會(huì)造成沒有結(jié)果或者結(jié)果出錯(cuò)。這里最好系統(tǒng)時(shí)鐘周期設(shè)成10ns，以便于觀察和輸出正確的結(jié)果。在start高電平時(shí)進(jìn)行調(diào)制,f是載波，q是分頻器，f就是q分系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率得到的。為了調(diào)制過(guò)程簡(jiǎn)單，節(jié)省時(shí)間，在單獨(dú)的調(diào)制部分不接入m 序列和DDS信號(hào)了由于通過(guò)軟件自身設(shè)定信圖34(a) ASK調(diào)制仿真全圖 仿真結(jié)果調(diào)試x和y在280ns附近的二進(jìn)制碼元寬度（后面提到的碼元寬度都是二進(jìn)制的）有點(diǎn)不一樣，這是本身設(shè)定要注意到的問(wèn)題：1碼和0碼的碼元寬度要保持長(zhǎng)度一致，這個(gè)問(wèn)題在以后要注意。如圖34(b) ，這個(gè)調(diào)制的圖的1碼和0碼的碼元長(zhǎng)度就是一致的，都是載波f的6個(gè)周期。他發(fā)送的是101碼，但是可以看出他每個(gè)1碼有7個(gè)高點(diǎn)平。雖然時(shí)間上是載波的6個(gè)周期，但是這樣就會(huì)在解調(diào)部分造成誤碼。所以，在發(fā)送碼元時(shí)，一定要選擇在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間傳送，即信號(hào)輸入的時(shí)間最好在start由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)刻的附近，盡量的減少誤碼的出現(xiàn)。如圖34(c)，就是選擇了正確的時(shí)間傳送信號(hào)。每個(gè)碼元長(zhǎng)度都是載波信號(hào)的6個(gè)周期。對(duì)于發(fā)送同樣的101碼，圖34（c）就比圖34（b）要好的多，在觀察時(shí)很直觀，實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)減少誤碼