航空航天专业毕业论文

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第一章FPGA的实现
和仿真、综合及时序分析、实现、加载配置和调试几个阶段.FPGA设计最常用的工具是Xinlinx ISE和Modelsim,本篇所讨论的问题也采用了主要使用了这些工具随着电子技术的快速发展，对通信系统功能的要求不断提高。

基于同样的硬件环境，由软件来完成不同的通信功能的方式趋于成熟，通过改变程序可以很灵活地更改通信系统的功能和性能。

于是，可编程高速器件如DSP、ARM、FPGA等成了现代通信系统的主要角色。

FPGA即现场可编程门阵列，它是在PLA、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是一种高度集成的可编程逻辑器件，它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。

FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I，O单元都可以由用户编程,可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。

其速度快，功耗低,通用性强,特别适用于复杂系统的设计。

使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构(可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备多种空间相关或时间相关的任务）及硬件软化、软件硬化等功能。

数字调制解调是无线通信中一个重要技术之一。

FPGA的基本特点主要有:
1)采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I,O引脚。

4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5) FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

与传统的DSP或GPP相比，FPGA在某些信号处理任务中表现出非常强的性能，具有高吞吐率、架构和算法灵活、并行计算、分配存储以及动态配置等优势，因此能够解决设计者在通信领域尤其是无线通信方面需要一个高速通用硬件平台来实现并验证自己通信系统和相关算法的需求。

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调制的目的是把基带信号变换成适合信道传输的信号，解调是调制的反过程，无线通
信系统设计的一个目标是实现系统数字化，而FPGA就是实现系统数字化的重要技术。

FPGA
设计的主要流程包括RTL代码编写、编写Testbench。

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第二部分2—ASK调制的MATLAB实现 2。

1.1 MATLAB简介
MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory）的简称,和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指.MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语
言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C,FORTRAN，C++ ,JAVA的支持.可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

应用:
MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作：
？数值分析
? 数值和符号计算
？工程与科学绘图
？控制系统的设计与仿真
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? 数字图像处理
？数字信号处理
？通讯系统设计与仿真
? 财务与金融工程
MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独
提供的专用 MATLAB 函数集)扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

MATLAB特点：
？此高级语言可用于技术计算
?此开发环境可对代码、文件和数据进行管理
？交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题
?数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等?二维和三维图形函数可用于可视化数据
？各种工具可用于构建自定义的图形用户界面
?各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言(如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel)集成[2]
2.1.2 MATLAB的代码实现
用MATLAB实现2-ASK调制，以及相干解调,并给出调制、解调后的信号波形。

主程序名为ASKmod.m,调用子程序T2F.m，F2T。

m和LPF。

m.
主程序
ASKmod。

m
clear all
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global dt t f df N T close all
N=2^20;
dt=0.001；
df=1/（N*dt)；
T=N＊dt；
Bs=N*df/2;
t=linspace（-T/2，T/2,N); f=linspace(-Bs,Bs，N）+eps； fm=1；fc=6；
mt=cos(2*pi*fm*t);
m(mt〉0）=1;
m（mt〈0）=0;
c=cos（2*pi＊fc*t）；
s=m.*c；
S=T2F（s）;
n=awgn（s，20）;
r=s+n;
y=r。

＊c;
Lpfil=LPF(fc）；
Y=T2F(y);
yrt=real（F2T（Lpfil。

＊Y))； yr=yrt—mean（yrt）;
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yr(yr>0）=1;
yr(yr<0)=0;
subplot(3,1,1）
plot(t，m,’LineWidth’,1。

2） title（’输入信号’）；
axis（[-1,+1，-0.2，1。

2*max(m)］） xlabel（'t(ms）’)
ylabel('s(t)(V）’)
subplot(3,1,2）
plot(t，s，’LineWidth',1。

2) title(’2ASK 调制后波形'）；
axis([-1，+1，1.2*min（c），1。

2*max（c)]） xlabel（’t（ms)')
ylabel('s（t)（V)'）
subplot（3,1,3)
plot（t,yr,'LineWidth',1.2） axis(［—1，+1，-0。

2,1。

2*max(yr）]）title（［'2ASK 解调后波形'］)
xlabel(’t（ms）’)
ylabel（'s(t）(V)’）
其中T2F如下：
function X=T2F（x)
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global dt df N t f T
%x为时域的取样值矢量，X为x的傅氏变换，X与x长度相同并为2的整数冪H=fft(x）；
X=［H（N/2+1:N），H（1：N/2）]*dt; End
其中的子程序F2T如下：
function x=F2T(X）
global dt df t f T N
％x为时域的取样值矢量,X为x的傅氏变换，X与x长度相同并为2的整幂 X=［X(N/2+1：N）,X(1：N/2）］;
x=ifft(X)/dt;
end
其中的子程序LPF如下：
function y=LPF（fc)；
global dt df N t f T
Bs=N＊df/2;
x1=（Bs-fc/2）*N/（2*Bs）;
x2=（Bs+fc/2)*N/(2*Bs);
y=zeros(1,N）;
y（x1：x2）=1;
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根据上述程序，得到调制解调曲线如图所示.可以看出，2-ASK调制、解调后正确恢
复了原来的信号。

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第三章调制的基本功能与要求 3。

1。

1 2进制振幅键键控调制，2ASK，
从信号空间的角度看,调制实质上是把信号从信道编码后的汉明空间映射成调制后的欧氏空间.映射可以是线性的，也可以是非线性的;既可以是一维的,也可以是多维的。

2ASK信号的产生
2ASK信号的产生有两种方法：
相乘电路法：
（1）
通—断键控法:
(2）
图2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又常称为通-断键控信号(OOK信号).
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二、2ASK(OOK）信号的解调
2ASK(OOK)信号的解调通常有两种方法：
非相干解调法（包络检波法）
（3）
（4）
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”。

etstt(）（）cos,,0c2ASK信号可表达为:
式中，为载波角频率，S(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列
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;为二进制数字
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2ASK信号的产生方法（调制方法）有两种,如图所示.图（a）是一般的模拟幅度调制方法；图（b）是一种键控方法，这里的开关电路受控制。

图（c）给出了及的波形示例.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）.
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经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。

如下图: 2ASK信号解调的常用方法主要有包络检波法和相干检测法.在相同大信噪比情况下，
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2ASK信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调
2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统，但两者相差并不太大。

然而,包络检波解调不需要稳定的本地相干载波，故在电路上要比相干解调简单的多。

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。

但是，包络检波法存在门限效应，相干检测法无门限效应。

所以，一般而言，对2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检测，即非相干解调，而小信噪比条件下使用相干解调。

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。

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。

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，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。

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，要求接受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
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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。

3.1.2 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
(4)
这里，s(t）是代表信息的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（4）可以证得
(5）
对于单极性NRZ码，有
(6)
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代入式(5)，得2ASK信号功率谱
(7）
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)如同第3章分析过的双边带调制一样,2ASK信号的带宽是数字基带信号带宽的两倍.
（8)
图4 2ASK信号的功率谱
(3）因为系统的传码率(Baud），故2ASK系统的频带利用率为
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（9)
这意味着用2ASK方式传送码元速率为的二进制数字信号时,要求该系统的带宽至少为（Hz）
3。

1。

3 2ASK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啊白噪声n(t),其均值为0，方差为；接收的信号为
(10)
3。

1.4 包络检测时2ASK系统的误码率
对于图2所示的包络检测接收系统，其接收带通滤波器BPF的输出为
(11)
其中，为高斯白噪声经BPF限带后的窄带高斯白噪声。

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经包络检波器检测，输出包络信号
(12）
由式(11)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2。

5节的分析，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丝分布；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。

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，倘若x(t）的抽样值，则判为“是1码”；若，判为“是0码”。

显然，选择什么样的判决门限电平与判决的正确程度(或错误程度）密切相干。

选定的不同，得到的误码率也不同.这一点可以从下面的分析中清除看到.
存在两种错判的可能性：一是发送的码元为“1"时，错判为“0”，其概率记为P（0/1)；二是发送的码元为“0”时，错判为“l”,其概率记为P(0/1).由图5可知
(13)
(14）
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式中，分别为图5所示阴影面积。

假设发送“1"码的概率为P(1），发送“0”码的概率为P(0），则系统的总误码率为
（15）
当P(1）=P(0)=1/2，即等概时
（16)
也就是说，就是图10中两块阴影面积之和的一半。

不难看出,当时，该阴影面积之和最小即误码率最低.称此时误码率获最小值的门限为最佳门限。

采用包络检波的接收系统，通常是工作在大信噪比的情况下，可以证明，这时的最佳门限,系统的误码率近似为
（17）式中，为包检器输入信噪比。

由此可见，包络解调2ASK系统的误码率随输入信噪比r的增大，近似地按指数规律下降。

3.1。

5相干解调时2ASK系统的误码率
2ASK信号的相干解调接收系统如图3所示。

图中，接收带通滤波器BPF的输出与包络检波时相同，为
(18）
取本地载波为，则乘法器输出
17
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将式（18）代入，并经低通滤波器滤除高频分量，在抽样盘崛器输入端得到
(19)
可知,为高斯噪声,因此，无论是发送“1”还是“0”，x（t)瞬时值x的一维概率密度都是方差为的正态分布函数，只是前者均值为A，后者均值为0，即（20）
(21）
其曲线图如图6所示。

类似于包络检波时的分析，不难看出：若仍令判决门限电平为，则将“0”错判为“l”的概率P(1/0）及将“1”错判为“0”的概率P（0/1)分别为（22）
(23）
式中，分别为图6所示的阴影面积。

假设P(1）=P(0),则系统的总误码率为(24）
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且不难看出，最佳门限。

综合式（20)~式（24）,可以证明,这时系统的误码率为
(25)
式中，为解调器输入信噪比.当时，上式近似为
（26)
上式表明，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。

必须注意，式(25）的适用条件是等概、最佳门限;式（26)的适用条件是等概、大信噪比、最佳门限.
比较式（26)和式(17)可以看出,在相同大信噪比情况下,2ASK信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统，但两者相差并不太大。

然而，包络检波解调不需要稳定的本地相干载波，故在电路上要比相干解调简单的多.
另外，包络检波法存在门限效应，相干检测法无门限效应。

所以,一般而言，对2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检测，即非相干解调，而小信噪比条件下使用相干解调。

例某2ASK信号的码元速率=4。

8*波特，接收端输入信号的幅度A=1Mv，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度=2*W/Hz.
（1）接收端带通滤波器带宽
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带通滤波器输出噪声的平均功率
解调器输入信噪比
于是,根据式（17）可得包络检波法解调时系统的误码率
(2)同理,根据式(26）可得同步检测法解调时系统的误码率
3.1。

6 2ASK信号的时域表达式与波形
2ASK信号的时域表达式：
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他们彼此独立。

即
其中为码元宽度，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
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乘，即
令 ,则二进制振幅键控信号可表示为:
其中为基带数字信号。

2ASK信号的波形：
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第四部分2-ASK调制的FPGA实现
在ISE中仿真后，其结果如图所示
程序经过ISE综合，可以得到如图所示的RTL示意图
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结束语
我的毕业设计题目是2—ASK调制的FPGA设计方法研究，刚选下课题的时候，有点担心，因为这个里面涉及的知识不很很清楚。

调制的概念学习中已经理解，但是关于FPGA没有去研究过，这样的情况下，我突然觉得很有压力，但是，人总是在不断的学习中前进.既然都是第一次，我想就是锻炼能力的好机会,于是我把这些第一次当作一次尝试和挑战，从新开始，感受毕业设计的学习过程，锻炼自己的自学能力，希望通过我的努力能够从中学会到工程设计的方法和思路。

在设计完成之际我要特别感谢我的指导教师汪飞老师，在整个毕业设计过程中，他都给予了我细致耐心的指导，另外还要感谢学院提供的良好的实验机房，院方尽全力提供一个良好的上机环境并及时提供给那些需要器件同学的工具。

正是因为学院教务处的顶力支持,我们才能在这几个月的时间里享受优良毕业设计的环境和条件。

同时，在整个毕业设计阶段中,我和其他几位同学共同学习，共同进步，半年来的学习使我们彼此间建立了深厚的友谊，大家在我遇到困难时给予了我热情的帮助和很多启发性的建议，我特此向大家表示真挚的谢意。

值此论文完成之际，衷心感谢曾经给予我支持和帮助的师长，同学和朋友们。

尤其对指导教师汪飞老师献上我最崇高的敬意和最衷心的感谢～在老师的谆谆教导下，在同学的殷切关怀下，在我们的愉快合作下，顺利完成了毕业设计及论文写作。

虽然我们一直在努力，但因时间仓促、个人的知识水平和经验有限，该设计存在许多不足之处，所以需要您精心改进和完善,恳请广大同学及师长提出您宝贵的意见和建议～在此，我深表谢意～
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参考文献
，黄葆华杨晓静牟华坤编著《通信原理》西安:西安电子科技大学出版社,2007
，陈萍，《现代通信实验系统的计算机仿真》北京：国防工业出版社,2003 , 赵静等编著《基于MATLAB的通信系统仿真》北京：北京航空航天大学出版社,2007
, 陈怀琛等编著《MATLAB及在电子信息课程中的应用》北京：电子工业出版社 2006
, 薛定宇，《控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用》北京:清华大学出版社，1997
, 王学辉等编著《MATLAB6.5最新应用讲解M》北京：中国水利水电出版社，2002
，邓华，《MATLAB通信仿真应用实例详解》北京：人民邮电出版社，2003 ， EDA先锋工作室薛小刚葛毅敏编著《Xilinx ISE 9。

X FPGA/CPLD 设计指南》北京:人民邮电出版社,2007
，田耘张延伟等编著《无线通信FPGA设计》电子工业出版社
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