1. ASK信號(hào)的解調(diào)原理

振幅鍵控信號(hào)的解調(diào)主要有包絡(luò)檢波和同步檢測(cè)兩種方法，后者又被稱為相干解調(diào)。

(1)相干解調(diào)

相干檢測(cè)器組成的原理如下所示：

ASK相干解調(diào)原理

由圖可知，輸入信號(hào)和相干載波在乘法器中相乘，然后由低通濾波濾除所需要的基帶波形，然后通過(guò)判決輸出解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)，判斷輸出需要位定時(shí)脈沖(位同步脈沖)。

假設(shè)輸入信號(hào)為：

相干載波為：

乘法器的輸出為：

濾除高頻成分，相干條件滿足，即，則相干檢測(cè)器的輸出為：

其中Kc為低通濾波器增益，采用相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與ASK信號(hào)載波同頻同相的相干載波，否則會(huì)造成解調(diào)后波形的失真。相干載波的提取會(huì)極大的增加設(shè)備復(fù)雜性，實(shí)際中多采用更加簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)實(shí)現(xiàn)ASK信號(hào)的解調(diào)。

(2)非相干解調(diào)

包絡(luò)檢波不需要提取相干載波，因此是一種非相干解調(diào)法，包絡(luò)檢波原理如下：

ASK非相干解調(diào)原理

2.ASK解調(diào)技術(shù)的matlab仿真

相干解調(diào)需要提供與輸入同頻同相的載波信號(hào)，通常需要采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的提取，較為復(fù)雜，這里采用非相干解調(diào)的方法實(shí)現(xiàn)ASK解調(diào)，只需要將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波即可得到基帶信號(hào)。

matlab主要代碼如下：

通過(guò)整流濾波得到基帶波形，濾波器的系數(shù)可以導(dǎo)入到FPGA中，進(jìn)行濾波，位同步時(shí)鐘的提取在FPGA中實(shí)現(xiàn)，處理后的基帶波形如下所示：

3.ASK解調(diào)技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)

完整的ASK解調(diào)電路包括基帶解調(diào)及位同步時(shí)鐘的提取，對(duì)于數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)來(lái)講，我們需要在接收端獲得與發(fā)送端相同的數(shù)據(jù)信息，最終輸出的結(jié)果是數(shù)據(jù)流，以及與數(shù)據(jù)流同步的位同步時(shí)鐘信號(hào)。

ASK的解調(diào)可以分為基帶波形的獲取，判決門限獲取，位同步時(shí)鐘提取三個(gè)模塊，在FPGA中的設(shè)計(jì)如下：

濾波和門限檢測(cè)相對(duì)簡(jiǎn)單，這里主要介紹位同步時(shí)鐘的提取。

3.1位同步時(shí)鐘介紹

位同步也稱定時(shí)同步、符號(hào)同步、碼元同步，是數(shù)字系統(tǒng)特有的一種同步。

(1)如果基帶信號(hào)中已含有顯著的時(shí)鐘頻率(或時(shí)鐘導(dǎo)頻分量)，可以使用窄帶濾波或者鎖相環(huán)提取，這種方法稱為插入導(dǎo)頻法。

(2)當(dāng)傳輸隨機(jī)比特流信號(hào)中不含有離散的時(shí)鐘頻率及諧波時(shí)，同步信息包含在基帶數(shù)據(jù)初始相位中。不能直接提取，一般有兩種方法，非線性變換濾波和特殊鑒相器的鎖相法。

(3)基于Gardner的位定時(shí)同步算法，采用產(chǎn)值濾波的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)位定時(shí)同步及最佳抽樣判決。

這里使用鎖相位同步法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘的提取，但是這種方法只是用二進(jìn)制單bit調(diào)制信號(hào)，對(duì)于多bit信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單的門限判決無(wú)法獲得由碼元00跳變到11的初始相位，對(duì)于二進(jìn)制來(lái)言。0和1之間不存在其他的碼元，數(shù)據(jù)判決只有一個(gè)門限，多進(jìn)制的位同步技術(shù)可以使用Gardner算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字鎖相位同步環(huán)的原理如下：

如上圖所示，數(shù)字鎖相位同步環(huán)主要由鑒相器、控制器、分頻及時(shí)鐘變換電路組成。輸入信號(hào)din是單bit信號(hào)，跳變檢測(cè)用于檢測(cè)輸入信號(hào)的跳變沿，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)跳變沿的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平信號(hào)，提取出位同步信息，用于檢測(cè)同步信息的時(shí)鐘與時(shí)鐘變換電路的輸入時(shí)鐘信號(hào)是否相同。仿真結(jié)果如下：

當(dāng)同步時(shí)鐘滯后輸入的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)滯后脈沖(pd_aft)，然后滯后門 (pd_after) 打開，可以看到在1中g(shù)ate_close門會(huì)打開，clk_in會(huì)多加一個(gè)脈沖，使得下一個(gè)時(shí)鐘提前1個(gè)調(diào)整周期。這里數(shù)據(jù)采樣速率為碼元的8倍，每次相位調(diào)整步進(jìn)為一個(gè)數(shù)據(jù)采樣周期，相當(dāng)于1/8個(gè)碼元周期。當(dāng)同步時(shí)鐘超前輸入數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)超前脈沖(pd_bef)，然后超前門(pd_before)打開，clk_in會(huì)扣除一個(gè)脈沖，使得下一個(gè)時(shí)鐘滯后一個(gè)調(diào)整周期。無(wú)論加還是減脈沖，相位校正總是階躍式的，穩(wěn)態(tài)相位不會(huì)為零，而是圍繞零點(diǎn)左右擺動(dòng)。

3.2仿真結(jié)果

通過(guò)上述的分析和設(shè)計(jì)，得到最終的仿真結(jié)果，其中data為調(diào)制的二進(jìn)制bit信號(hào)，abs_din是整流輸出，din為濾波器的輸出，mean為判決門限，decode_data為判決輸出，從下圖中可以看出解調(diào)后的數(shù)據(jù)decode_data能夠與輸入的2ASK信號(hào)對(duì)應(yīng)，但是最后同步輸出bit_data與調(diào)制的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不上。

4.總結(jié)分析

4.1 從波形上看判決輸出基本與輸入一致，最終同步的數(shù)據(jù)不對(duì)，首先定位到位同步時(shí)鐘的提取，重新梳理了位同步的原理，以及時(shí)序波形，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，如下所示：

過(guò)門限檢測(cè)之后的數(shù)據(jù)高低電平長(zhǎng)短不一，位同步時(shí)鐘存在漏檢和誤檢的情況，在連0和連1出現(xiàn)次數(shù)較多的情況下尤為嚴(yán)重。于是我把過(guò)門限檢測(cè)之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D出發(fā)器處理成等長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并更換調(diào)制信號(hào)為1和0交替的信號(hào)。

可以看到，結(jié)果是正確的，把解調(diào)后的數(shù)據(jù)和調(diào)制數(shù)據(jù)對(duì)比也是正確的。在連1不是很多的情況下，依然能夠正確解調(diào)出正確數(shù)據(jù)，如下所示：

256點(diǎn)門限長(zhǎng)度

4.2猜測(cè)可能和門限檢測(cè)的長(zhǎng)度有關(guān)系，即對(duì)濾波之后的調(diào)制信號(hào)求平均的點(diǎn)數(shù)。因此改變門限檢測(cè)長(zhǎng)度，測(cè)試了32，64，128，256點(diǎn)的門限長(zhǎng)度，可以發(fā)現(xiàn)門限的平滑度不同，但是結(jié)果都是正確的。

32點(diǎn)門限長(zhǎng)度

4.3最后我把數(shù)據(jù)改成最初的調(diào)制數(shù)據(jù)，得到結(jié)果如下：

通過(guò)matlab比對(duì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)只有前5個(gè)數(shù)據(jù)不一樣，可能是由于一開始沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)計(jì)算正確的判決門限，導(dǎo)致初始的解調(diào)數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，后續(xù)數(shù)據(jù)比對(duì)完全一致。

最終確定原因，數(shù)據(jù)比對(duì)不上是由于過(guò)門限檢測(cè)之后的數(shù)據(jù)高低電平長(zhǎng)短不一導(dǎo)致的，下圖是我在仿真中找到的一個(gè)比較明顯的地方，decode_data為1010101，但是同步輸出全為1。

過(guò)門限檢測(cè)之后的數(shù)據(jù)不能直接給位同步時(shí)鐘提取模塊，需要做以下調(diào)整才能得到正確的解調(diào)。為什么選取4作為計(jì)數(shù)器判別，采樣頻率為碼元速率的8倍，一個(gè)碼元采樣8個(gè)點(diǎn)，首先同步decode_data脈沖邊沿，計(jì)數(shù)器從0~8，在門限檢測(cè)的時(shí)候，認(rèn)為超過(guò)4個(gè)點(diǎn)為1，結(jié)果為1，超過(guò)4個(gè)點(diǎn)為0，結(jié)果就為0。