（信号与信息处理专业论文）ebpsk解调器设计与dsp实现.pdf

摘要 摘要 频率资源严重不足与高速可靠的信息传输存在着日益突出的矛盾，如何提高数字通信频谱利 用效率正是当前数字通信领域研究的热点。超窄带( u n b ，u l t r an a r r o wb a n d ) 通信是一种可以 提供很高频谱利h j 率的技术，而扩展的b p s k ( e x t e n d e db i n a r yp h a s h i f tk e y ) 调制方法表现出 了超窄带的特点。本课题从理论研究出发，设计了e b p s k 调制信号的接收机解调器，并借鉴软 件无线电的思想，完成了对该解调器的d s p 实现。 e b p s k 调制是一种小角度和可变占空比的非对称调相方法。基于对e b p s k 调制的理论分析， 提出了基于锁频锁相环( f p l l ) 的e b p s k 载波恢复及相位跳变提取，自动频率控制( a f c ) 环 路和锁相环的切换方式既扩大了载波捕获范围，又满足了精确跟踪载波相位的要求。根据鉴相输 出信号的特点，研究了在信道加性高斯自噪声( a w g n ) 中合适的检测方法，同时也对判决门限的 确定进行了一定的分析。为验证超窄带系统的发送和接收，实现了m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台向 d s p 硬件平台的移植，并在t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 d s k 的硬件平台上完成了超窄带接收解调器基本模块 的算法设计与实现。 本文首先介绍了e b p s k 调制基本原理以及解调的关键问题，然后对基于f p l l 的解调器设计 方案进行了详细的阐述及性能分析，接着描述了超窄带用于突发通信，以及接收机解调器在 c 6 7 1 3 d s k 平台上的实现，最后给出了工作总结与研究展望。 关键字：超窄带；扩展的二元相移键控；锁频锁相环；载波恢复；检测判决； 软件无线电 a b s t m c t a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gr i s i n gc o n f l l e tb e t 、e c nt h es c a r c i t yo ff r e q u e n c yr e s o u r c ea n dt h er e q u i r e l n a n to f i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nw i t hh i g hd a t ar a t ea n dc r e d i b i l i t yh a si n d i c a t e dt h a th o wt oi m p r o v e b a n d w i d t he f f i c i e n c yo fm o d u l a t i o ni sah o t s p o ti om o d e md i g i t a lc o m m u n i c a t i o nf i l e d u n b ( u l t r a n a r r o wb a n d ) c o m m u n i c a t i o ni ss u c hat e c h n i q u et h a ti ti sa b l e 幻p r o v i d ee x t r e m e l yh i g hf r e q u e n c y b a n d w i d t he f f i c i e n c y t h ee b p s k ( e x t e n d e db i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) m o d u l a t i o np r e s e n t st h i s c h a r d c t e r i s t i co fu n bc o m m u n i c a t i o n a ne b p s kd e m o d u l a t o ra n di i si m p l e m e n t a t i o nv i ad i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) a r ed e s i g n e dw i t ht h et h e o r yo f u n ba n dt h ei d e ao f “s o f t w a r er a d i o e b p s km o d u l a t i o ni sa na s y m m e t r i c a lp h a s em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yw h o s ep h a s ei sm o d u l a t e di n as m a l la n g l ea n dw i t ha na l t e r a b l ed u r a t i o n c a r r i e rr e c o v e r yw i t haf r e q u e n c y - p h a s el o c k e dl o o p ( f p l l 、a n dh o wt oe x t r a c tt h em o d u l a t e dp h a s ei sd e s c r i b e d t h es w i t c hb e t w e e n 柚a u t o m a t i c f r e q u e n c y c o r r e c t i o n ( a f c ) l o o pa n d a p h a s e l o c k e d l o o p ( p l l ) i m p r o v e s t h ec a p t u r er a n g e a n d g e t s a h i g hp r e c i s i o no fi nt r a c k i n gc a r r i e r sp h a s e a e e e r d i n gt ot h eo u t p u to ft h ep h a s ed e t e c t o r ad e t e c t i o n m e t h o di na w g nc h a n n e la n di t sd e t e r m i n a t i o nf o rd e c i s i o nt h r e s h o l dh a sb e e na n a l y s e d t ov a l i d a t e t h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e v i n go ft h ee b p s ks y s t e m t h ep l a t f o r mt r a n s p l a n tf r o mm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o n st od s ph a r d w a r ei si m p l e m e n t e d ，m e a n w h i l e ，t h ea r i t h m e t i cd e s i g no f e b p s kd e m o d u l a t o r m o d u l e si sd o n eo nt h et m $ 3 2 0 c 6 7 1 3 d s kp l a t f o r m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee b p s kc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dk e yi s s u eo f d e m o d u l a t i o na tf i r s t , t h e nd i s c a s s e st h ed e s i g ns c h e m eo fe b p s kd e m o d u l a t o rw i t hf p l la n da n a l y s e si t sp e r f o r m a n c e t h e a p p l i c a t i o no fe b p s kd e m o d u l a t o ri nb u r s tm o d ec o m m u n i c a t i o na n di t si m p l e m e n t a t i o no nt h e c 6 7 1 3 d s kp l a t f o r mi sd e s c r i b e s d f i n a l l yi st h es u m m a r yo f w h o l ew o r ka n ds o m er e s e a r c hp r o s p e c t s o nt h eu n b t e c h n o l o g y k e y w o r d ：u n b ；e b p s k = f r e q u e n c y - p h a s el o c k e dl o o p = c a r r i e rr e c o v e r y ：d e t e c t i o na n d d e c i s i o ms o f t w a r er a d i o i i 插图索g 图1 1 图2 - 1 陶2 2 图2 - 3 图2 - 4 圉2 5 幽2 - 6 图2 7 图2 8 剀2 9 图2 一l o 图2 1 l 幽2 1 2 图3 1 圈3 2 图3 3 幽3 4 图3 5 图3 - 6 圈3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 图3 - 图3 圈3 图3 - 1 5 图3 1 6 图3 1 7 幽3 - 1 8 图3 一1 9 i 璺l3 2 0 幽4 1 型4 - 2 图 图5 - 1 插图索引 采用d s p 技术的软件无线电接收机的硬件结构框图2 e b p s k 发送码元的0 仆“l ”调制波形5 调制信号的功率谱6 优化后的0 l ，调制波形8 图2 - 4 优化后调制信号的功率谱8 f p l l 载波跟踪及鉴相实现框图9 通过a w g n 信道的接收信号模型一1 0 e b p s k 接收机简化结构l o 反正切鉴相器输出波形l l 通信系统基本框图1 1 通过超窄带滤波器的示波器信号1 2 数字滤波器的幅频相频特性曲线1 2 数字滤波器的群时延1 2 e b p s k 调制解调器总设计框图1 5 锁相环的一般模型1 6 n c o 实现框图1 7 乘法鉴相器1 7 反正切鉴相器1 8 两种鉴相器的鉴相特性曲线1 9 输入相位变化的暂态响应：2 0 输入为宽度o o i s 的矩形脉冲响应输出2 0 锁相环反正切鉴相的s i m u l i n k 仿真2 l 反正切鉴相器鉴相输出2 2 c m s sp r o d u c ta f c 的鉴频特性曲线2 3 o da f c 的鉴频特性曲线，2 3 数字实现的叉积鉴频算法2 4 自动频率控制环路结构模型2 5 不同足。下的频差跟踪曲线2 6 频率跟踪过程、锁相环鉴相输出2 6 p l l 鉴相输出( 坐标轴放大2 7 k a 取值与频羞方差的关系曲线3 0 “i ”信号鉴相输出，3 2 积分区间取值在( o o 1 ) 的s n r o 3 2 含加性商斯白噪声的e b p s k 信号的f f t 值x ( 七) 3 4 只有信道高斯白噪声的f f t 值z ( 七) 3 4 用丁_ 突发通信的解调器实现图3 5 p c 机基于m a t l a b s i m u l i n k 的声卡设备发送3 8 v 东南人学硕j ：论文 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 图5 - 9 图5 1 0 闰5 1 1 t m s c 6 7 1 3 d s k 开发板的发送接收框图3 8 6 7 1 3 d s k 开发板实物图3 9 6 7 1 3 d s k 开发板硬件模块图3 9 a u d i o _ p i p 示例程序架构一4 0 软件执行的状态机4 1 a u d i op i p 示例程序数据处理流程 锁相环解调器的解调核心算法流程图 c c s 中显示的噪声f f t 模值 c c s 中显示的信号f f t 模值 锁频锁相环最终鉴相输出信号一 v l 4 ：! ，4 3 躬 “ 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：煎! 固强日期：2 墅：兰： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超窄带通信技术概述 2 1 世纪，人类社会正进入一场深深的变革，信息时代将以全新的方式推动社会大踏步向前迈 进。从第一代( i g ) 到第四代( 4 g 【1 1 ) 移动通信系统，信息传输速率有了长足的增长，由不足9 6 k b p s 提高到1 0 - 2 0 m b p s 。2 g 的使用频段为8 0 0 1 9 0 0 k h z ，带宽为4 1 0 m h z ；3 g 的使用频段是 1 8 0 0 2 4 0 0 m h z 带宽为5 - 2 0 m h z 而4 g 的使用频段在2 - s g h z 范围，每个4 g 信道将占有1 0 0 m h z 甚至更商的带宽。这表明移动通信系统信息传输速率的提升以所用信道带宽的增加为代价。为了 提高频带利| f ；i 率，现代调制技术的做法是尽可能增加信号空间的星座点数，如m p s k 、m q a m 等， 丽为了保证误码率，m 一般不超过8 ，即理论频带利用率在3 b p s h z 以下。在一定带宽内，如何 使信息传输更快，即如何提高频带利用率正是当前的一大重要课题。 超窄带口1 ( u l t r a n a r r o w b a n d ，u n b ) 通信是一种可以提供极高频谱利用率的调制技术，最初 由美国人h r w a l k e r 提出，并于1 9 8 8 年申请第一项专利。在与美国p h o t o n s c i e n c e 公司合作后， 该类专利技术注册为u s m ( 超谱调制：u l t r as p e c t r a lm o d u l a t i o n ) 1 3 l 。 1 9 9 7 年1 月w a l k e r 在论文中声称其v m s k 调制技术的传输效率已达1 5 w s h z l 4 j ；而2 0 0 0 年9 月2 2 日，在美国麻省伯林顿的m a r r i o t 酒店里，作为v m s k 技术发明人的w a l k e r 先生用一 个3 0 k h z 带宽的标准蜂窝时隙传送v m s k 调制信号，其码率达纠了令人吃惊的1 5 4 4 m b p s ，带宽 效率高达5 0 b p s h z i ”。p h o t m n 公司2 0 0 5 年3 月1 日发布白皮书称，他们已成功实现端到端的m a t l a b 仿真，表明u s m 技术具备在带宽为5 0 k h z 的窄带内以5 m b p s 的高速传输数据的能力。3 个月后， 6 月1 6 日该公司声称已开发f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y s ) 和专利的数字滤波器，u s m 的 无线数据传输的带宽效率达1 0 0 b p s h z 。在5 0 k h z 的窄带内能达到5 m t , p s 的高速数据传输率。6 月2 9 日发布的有关资料中宣称其改进的u s m 已达到技术上一个新的里程碑，将被成功地由当前 的f p g a 实现转化剑制作专_ f i 集成电路( a s i c ) ，从而使之成为潜在的第一个数据传输率达到 1 0 0 b p s h z 的无线设备，其高速传输的带宽效率是现有其它技术的2 5 倍甚至更高。该技术的不断 成熟和发展将对信息传输产生重大影响，据称已应用到诸多领域。 1 2 软件无线电与超窄带接收机 1 2 1 软件无线电的起源和特点 软件无线电是一种实现无线通信的新概念利新体制，是继模拟通信到数字通信和同定通信到 移动通信之后无线通信领域的又一次革命。它是针对世界范嗣内无线电通信领域内的多体系并 存，而且不同体系间的通信设备彼此互不兼容，互通性较差，无法制定统一的标准等问题而提出 的。1 9 9 2 年5 月m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次明确提出了软件无线电| 6 i ( s r , s o f t w a r er a d i o 或 s d r ，s o f t w a r e - d e f i n e dr a d i o ) 概念。软件无线电实际上是在标准化、模块化的通用硬件平台上， 通过配置加载软件实现尽可能多的无线通信功能的一种开放式体系结构。 东南大学硕士论文 软件无线电的主要特点如下： ( 1 ) 系统功能软件化：将a d ，d a 变换尽量向射频端靠拢，将中频以下全部进行数字化处 理，以使通信功能由软件来控制，系统更新换代变成软件版本升级，使开发周期缩短与费用降低。 ( 2 ) 系统结构模块化：采用模块化设计，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准。 同类模块通用性好，通过更换或升级某模块就可实现新的通信功能。 ( 3 ) 利于互联互通：不同的通信系统都基于相同标准的硬件平台，只要加载相应的软件就 可完成不同电台与不同系统之间的互联。 ( 4 ) 系统监控方便；由于软件无线电在中频以后进行数字化处理，通过软件就可方便地完 成系统频带调整、信道检测与自适应选择、信号波形在线编程、调制解调方式控制及信源编码与 加密等处理。 1 2 2 采用d s p 的软件无线电结构 软件无线电是基于一个通用的硬件平台，其功能主要分为射频( r f ) 和数字信号处理两大部 分。传统的r f 被认为是天线后面的所有部分，只能完成单一功能，而软件无线电的r f 部分是用来 完成对空中无线电信号的接收、采样、滤波和下变频，包括宽带天线、射频前端、a d 转换器、 专用数字下变频芯片：信号处理部分得到的是有待进一步处理的信号，要做的工作包括：解调、 信道均衡、自动增益控制、解扩、信道解码、信源解码等。 目前的软件无线电接收机大多在中频以下采用数字信号处理器( d s p ：d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 。 运用d s p 技术可方便地对接收频段、调制解调方式、滤波器特性等进行编程控制，极大地提高了 通信设备的性能和设计的灵活性。另外，d s p 能时分多路或分时工作，性价比高，可以大大降低 生产成本。随着更高速度d s p 的出现，将有可能直接从射频开始采用d s p 处理信号。d s p 技术的 引入改变了传统接收机的硬件结构。采用d s p 后的接收机，中频的模拟一数字接口由一对高速a d c 、 d a c ( 数模转换器) 组成，核心部分主要是高速d s p 加c p u ，构成开放式模块化结构，接收机利 用d s p 完成相应功能，其硬件结构如图1 1 。 图i 1 采用d s f 扔g 的软件无线电接收机的硬件结构框图 与普通单片机、嵌入式处理器相比d s p 晟大的特色就是为了提高数字信号处理速度而做了 很结构改进，如多条地址、数据总线的哈佛结构、乘加运算单元、专用浮点运算单元、多级流水 线处理、多运算单元的并行处理等。有了这些硬件结构和指令设计上的优势，普通处理器需要几 条、甚至十几条指令实现的运算，d s p 往往只要一条指令郎可完成。虽然d s p 能实现的数字信号 处理单元的并行度与大规模f p g a 相比还有很大差距，但高速d s p 能达到的运算量也很可观。 1 2 3 软件无线电在本课题中的应用 本课题针对采用扩展的二元相移键控( e b p s k ：e x t e n d e db i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 调制的 超窄带接收机解调器的设计和实现，借鉴了软件无线电的思想。系统选用的1 1 公司t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 2 第一章绪论 浮点d s p 的最高运算量可达到2 4 0 0 m i p s 和1 3 3 6 m f l o p s 。与f p g a 相比，d s p 最大的优势在开 发难度和速度上。由于可以使用汇编，c 语言，c + + 语言进行程序编写利断点调试，d s p 平台上的程 序结构设计和算法移植都更加真观、易行 目前本接收机的d s p 设计采用直接在c 6 7 1 3d s k 现有的硬件资源上，通过软件编程，实现 了基于锁频锁相环的载波捕获与跟踪、e b p s k 信号解调以及信号检测等多种功能，用软件方式实 现，使得本接收机设计更加灵活，调试和修改也更方便。由于e b p s k 解调采用了对载波信号直 接进行数字信号处理的方式，系统采样频率一般需要达到载波信号频率的l o 倍，因而受限于d s p 的处理速度，本系统的载波频率选择较低，降低了开发难度，加速了开发进程，为以后采用高速 a d c d a c 以及更高速的d s p 芯片处理奠定了基础。 1 3 本文的设计目标 本论文主要研究了e b p s k 解调器的设计与实现，探讨了e b p s k 解调技术的关键技术和性能。 在研究过程中，先用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了e b p s k 调制，解调系统仿真平台来验证算法的可行性 以及传输性能，接着在这平台基础上进行算法优化和改进，最终形成完整的算法，再用c 语言来 进行算法移植，最后将整套编程算法移植到t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s k 上进行硬件仿真实现。 前述美国的3 p r k m c m 、3 p s k 等调制要有专门的多晶体模拟滤波器。不便于硬件集成， e b p s k 调制器可以直接将调制波形的数字样本( 甚至经超窄带滤波后的样本) 经d a c 输出，也 便于利川数字滤波精确控制发送信号的带宽和频谱形状；而接收端可以在a d c 之后实现接收机 的全数字化处理。 当前课题组对超窄带高效调制的研究主要在发送波形优化、u n b 数字滤波器和解调检测方 法。本文的理论研究是在接收机的解调检测方面，设计专门用于e b p s k 调制信号的解调检测算 法，主要是锁频锁相环解调算法及合适的检测判决算法。 在研究传统数字通信接收机最佳接收解调的理论基础上，提出和实现了基于锁频锁相环的 e b p s k 解调算法，其机理虽然看起来很显然，但背后的具体理论却是在传统匹配滤波器上的一种 变化，是适用于e b p s k 调制的一种解调算法。由于e b p s k 调制信号以及u n b 窄带滤波器的特 殊性其相位跳变检测判决算法也必须针对e b p s k 来设计。 解调器要基于d s p 平台实现，因此本文另一重点内容是研究该平台上的d s p 程序结构及算 法实现。在搭建d s k 开发板仿真平台的过程中完成了主要算法的c 语言移植，最后是优化d s p 程序结构以保证通信信号处理的实时性。 本文的主要设计目标： 1 实现接收端的解调检测算法，完成载波频偏估计与校正，锁相环建模、载波相位的锁相 环提取、相位跳变检测判决等算法实现。 2 能够在m a t l a b s i m u l i n k 平台上进行不同参数设计情况下的性能仿真，并且可以添加、更 新以及优化滤波器设计和解调检测算法。 3 使用c 语言编程实现超窄带调制，解调算法。移植m a t l a b s i m u l i n k 下的仿真系统至 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 d s k 硬件平台上，实现u n b 系统在硬件平台上的实际通信。 3 第二章e b p s k 通信研究 第二章e b p s k 通信研究 2 1e b p s k 调制 扩展的= 元相移键控【7 ( e b p s k ) 调制是种特殊的相位调制技术，主要是利用了小角度调 相和可变的跳变时问。以及发送成形滤波器来紧缩发送波形的频谱边带分量，这时信号频谱带宽 非常窄，而在此带宽下可以传送相对较高码率的数据，所以是一种高频谱利用率的调制技术。 e b p s k 调制信号的统一表达式定义为 g o ( t ) = a s i n 2 石f c t 0 t t “咖雠黢棚i 眶7 篓等鲰 心。 1 ) 数据信息的符号宽度( u p 码元的时间长度) t 持续了n 1 个载波周期，即t = 五； 2 ) 跳变波形的时间长度f 持续了k 个载波周期，即f = 纠正，且k n ； 3 ) “o ”和1 饼调制的波形分别为g o ( t ) 和蜀( f ) ； 除在数据1 的起始处有短时的相位跳变( 口为跳变角或调制角) 或幅度跳变( 跳交值为 占一a ) 外，其余都是连续的正弦波，这有助于抑制已调波频谱的展宽，使其能量集中在载频正 处，而且，跳变角度越小，已调波频谱越集中；载波被调制的程度因口和f 而异。 口可作为带宽控制参数，0 矽石：当0 哼0 ，已调波频谱最窄；而当矽寸石，己调波频 谱最宽。r ；k 知可称为“调制占空比”。根据( 2 1 ) 式选取适当的口，加以f 的控制，再配合 较好的成形滤波器，即可把已调信号的带宽控制得很窄。 1 0 ，5 0 0 5 10 0 1n 20 30 40 5o b0 70 80 91 1 i m e ( s ) x 1 0 - 3 发送码= ，己f 波形 圈2 1e b p s k 发送码元的。o 。1 ”调制波形 5 东南火学硕： ：论文 在码元周期r = 1 0 - 3 s ，跳变时间长度f = 1 0 - 4 j ，载波频率为1 0 k h z ，即数字“1 ”信号的 跳变时间f 持续1 个载波周期，而码元则占l o 个载波周期，跳变角0 = 7 的调制波形如图2 一i 。 2 2e b p s k 调制的功率谱分析 x ( r ) = ( 蜀( ，一甩丁) + ( 1 一& ) g 。( r 一，l 丁) ) 其中 晶) 为信源二进制随机序列，t 为码元问隔时间。 在o ”，“1 概率相等的情况下，可以求得x ( f ) 对应的功率谱嘲如下： ( 门= 嘉fg i ( 门一g 0 ( 力1 2 + 嘉圭d ( 厂二尹m | g i ( 尹m + g o ( 等) 2 ( 2 - 2 ) 其中g o ( f ) 为g o ( f ) 的傅立叶变换，g l ( 力为g l ( f ) 的傅立叶变换。 g o ( f ) = ! f g o ( t ) e 掣2 n ( f f f l _ f 2 ) , 1 - - e - j 2 s f f ) g 。( ) - 。s g , ( t ) e - j 2 # f i d t = 而1 b ( 1 - e - j 2 7 r 弦) f ，c o s 0 + j f s h a o ) + a ( e j 2 氕，1 - - e j 2 矗f r ) 4 j 将式( 2 - 3 ) 等代入( 2 2 ) ，经过运算化简，得到e b p s k 信号功率谱密度( p s d ) 的最终 表达式( 具体推导见【9 】) ： 5 而玩1 研 ( 4 2 f 2 + b 2 f 2 c o s 2 8 - 2 a b f c 2 c o s o + b z ，2 s i n 2 ( 1 - c o s 2 ，r 厂 + 丽1 一芋) 2 ( 鼢+ 4 t 2 n 4 t + 4 a b t r c o s 口一4 a b r 2 c o s 9 】 + 南孝盯一争毒舞 【4 2 2 + b 2 2 2 c o s 2 0 2 a g f 。2 e o s o + b 2 ( - 5 2s i n 2 0 1 0 一c o s 2 z r m f ) ) 可以看出，e b p s k 信号p s d 函数由连续谱和离散谱构成，分别由上式的第一项和后两项表征。 后两项中的专反映了线谱的间隔，而第一项中的c o s 2 万，f 反映了连续谱主瓣和旁瓣的宽度。在 跳变角口和载频正一定的情况下，直变大，线谱间隔变小；k 值变大，主瓣与旁瓣变窄。 在码元周期r ：1 0 - 3 s ，画变时间长度f ：l o 一僵，载波频率为l o 材扬，即数字“i 一信号的 跳变时间f 持续1 个载波周期，而码元则占1 0 个载波周期，跳变角o = 万，对o 1 - 等概分布的 1 0 0 0 0 个码元进行e b p s k i 肭 ，采样频率为1 6 0 k h z ，采用w 龇h 法，即平均的修正周期图法计算 6 第二章e b p s k 通信研究 1 4 4 0 调制信号的功率请 o12345678 f h i 州 x l o 圈2 - 2 调制信号的功率谱 从图2 - 2 以及( ，) 的表达式可以看出，离散谱除了载波频率z 外，还有许多其它频率分量 上的离散线谱，间隔1 t ，这些线谱属于发送码元0 l ”等概分布时调制信号的周期分量。载波 能量比较大，非常有利于e b p s k 鳃调器进行载波的提取与跟踪。 对调制信号的频谱结构进行分析，从调制表达式出发，对除载波分量以外的周期谐波分量进 行优化【”1 去除，来更好地衰减e b p s k 功率谱的边带线谱分量。目前的一种算法主要是对0 ”“1 ” 的调制波形分别进行修正。 将e b p s k 调制的基本波形同时去除周期分量里巫垄尘三粤二堕必，再同时加上 幅度为4 = 的正弦波，这里假设式( 2 1 ) 中的幅度a = b = 1 ， 那么在相位跳变角为护时的优化后的0 “l ”波形表达式分别如i f ： 码元1 波形表达式： o ) = s i n ( 2 石l e t ) + 堂丝譬堂型 码元0 波形表达式： g 撕剖( s i n ( o ) r ) 2 + ( 雾r ( 1 - c o s o ) - 夏2 t ) 2s i n ( 2 删一塑型芦幽 图2 3 和图2 4 分别是表达式优化后的调制波形及其信号功率谱，可以看到，“0 ”“l ”波形在 相位跳变处有了一些变化，但跳变信息基本保持。图2 2 和图2 4 比较，后者除了载波分量保留外， 其余的离散频率分量都已经去除，频谱看起来更加紧凑。 7 o 锄 却 鹄 瑚 m 一日口)姜gc窖：萎i|i主 东南大学硕上论文 1 0 5 0 - 05 1 发送码元1 的波形 00 1 n 2 0 30 4050 60 70 e 0 0 1 _ m 哪) x 1 矿 发送码元o - 的波形 图2 - 3 优化后的* o l ”调制波形 调制信号的功率谱 2345878 f r e q u e n c yh z x1 0 图2 4 优化后调制信号的功率谱 2 3e b p s k 解调的关键问题 2 3 1 载波恢复及鉴相 载波恢复是数字通信系统中一个十分重要的问题。当采用同步解调或相干检测时，接收端需 要提供一个与发射端同频同相的相干载波，获取这个相干载波的过程就是载波同步的过程。 e b p s k 系统采用的是相位差异检测，所以精确地恢复载波是e b p s k 解调系统中至关重要的一环。 同时全数字化接收机要有一个时钟源，接收端也可把恢复出的载波倍频后作为采样脉冲使用。 e b p s k 调制是一种非抑制载波调制，原理上采用锁相环( p l l ) 来提取是合理的。标准p l l 的频率捕捉范围及闭环带宽，都由环路滤波器和闭环增益决定，但捕捉模式不足：当输入信号频 率与本振频率差值较大时，需要足够的环路跟踪带宽，而p l l 环路越宽，环路对输入噪声的滤除 8 o 锄 枷 舶 舶 椭 饼 m 一0)opnl!u6e=寸岂璺至 第二章e b p s k 通信研究 能力越差，输出相位噪声方差也越大，使得跟踪精度也越低。 e b p s k 调制保留了载波，有利于采用锁相环进行精确的载波相位锁定，使得相位跳变成分通 过锁相环的鉴相器输出，但要求较低的鉴相噪卢和较优的鉴相性能，因此要求更窄的环路带宽。 而环路带宽越窄，随着起始频偏的增加，锁定时间也将呈指数增长。所以，本文采用具有频率跟 踪环路的锁频锁相环( f p l l ) 进行载波跟踪，以解决捕捉范嗣和捕捉时间的矛盾。 锁频环( f l l ) 只对频率进行捕获，可以适戍一定范围的频率交化。经过频率跟踪，本地载 波与输入信号频差能调节到所要的范围内，经过门限判决，环路切换到锁相环，设计一个窄带的 锁相环系统，对残余频差相差进行精确补偿。 本文把锁频锁相环用于对e b p s k 载波跟踪及签相解调，以满足e b p s k 信号解调时的频率相位 锁定，实现框图如图2 5 所示。 图2 - 5f p l l 载波跟踪及鉴相实现框图 对接收信号进行两路混频后再低通输出，通过对鉴频器输出进行门限判决来切换锁频环路和 锁相环路。f l l 是从鉴频器提取频差信息，进而频率调整控制，改变数控振荡器( n c o ) 的频率 值，使输出频率能够跟踪接收信号载波频率的变化。 当鉴频器判断频差值已在锁相环路的快捕带内( 为得到更好的跟踪性能，判决值可取更小 值) ，则对l 、q 两路信号进行反正切鉴相，通过窄带环路滤波；p l l 进行精确相位锁定。 2 3 2 检测判决 e b p s k 发射机利用0 l ”两个信号波形g o ( f ) 和蜀( f ) 发送数字信息，每个波形在持续时间 为丁的符号间隔内传输。 假定加性高斯白噪声( a w g n ) 信道如图2 4 i 所示，在0 t s t 间隔内，接收信号可表示为 ，( f ) = j ( f ) + 栉( f )( o f s d 式中。n ( t ) 表示p s d 为中。( 厂) = 寺n o ( w h z ) 的w a g n 样本函数 二 根据数字通信”原理，将接收机划分为信号解调器和检测器，前者的功能是将接收波形变换 成二维向量r = 】，而后者的功能则是根据向量，从接收波形中判定是哪一个波形被发送 9 东南人学硕l 二论文 通常的b p s k 调制波形可以表示为 发送信号 g ，( ，) 接收信号 ，( f ) = 岛( f ) + h ( f ) 圈2 - 6 通过a w g n 信道的接收信号模型 ，开 s i n ( t ) 2 9 ( ) c o s 2 u f j + 兹沏一1 ) 】( 1 m m ，o r ) 其中，m = 2 ，g ( f ) 是发送信号脉冲波形。b p s k 在a w g n 信道下的最佳检测器计算相关度量 c ( 尹，瓦) = 芦瓦( m = l ，2 ) 换言之，是将接收信号向量尹投影到可能发送的信号向量上，根据最大的分量判决发送信号。 参照b p s k 的最佳检测，e b p s k 的检测可以计算接收信号，( f ) 的相位，即锁相环的鉴相输出， 由于e b p s k 信号的相位差异是：“0 ”在整个码元内是零相位变化，而“1 ”则是整个码元部分时 间内的相位变化，对这个相位变化时间积分后进行门限判决，来确定发送码元是o ”还是1 ，如 图2 7 所示。 脚正一锁徽 接收信号 出 位同步脉冲 图2 - 7e b p s k 接收机简化结构 在e b p s k 信号取不同的调制参数时，通过锁相环鉴相输出的有相位变化的波形在幅度和时 间上也是变化的，特别是当接收端加上u n b 滤波器时，滤波特性会改变数字信号“l ”的鉴相输出， 所以对积分器的积分区间需要进行分析，如何选择合理的区间使检测性能最佳是研究的重点。 同时，位同步的准确提取也是进行最佳判决的前提，这部分由同一课题组的李双喜同学进行 研究，可以参考其论文。 2 3 3 判决门限的确定 目前我们在e b p s k 解调器鉴相输出端进行检测，是对该输出信号一定区域内积分，对积分 结果进行门限判决。与b p s k 不同，e b p s k 判决器的最佳门限不为零，而是与调制参数f 和鉴相 输出相位口有关，在实用中，调制参数的设定与传输码率和传输带宽有关，如果采用固定门限判 决，在改变调制参数时达不到最佳。较理想的应该是系统自动跟随调制参数的变化，设置合理的 检测门限，使判决器能正常：l 作，以提高判决性能。 假设e b p s k 的1 信号的调制相位角口= 州2 ，跳变的持续时间是f = 0 0 i s ，码元周期是 t = 0 1 s 。采用反正切鉴相器，数字信号“l ”的输出波形昌( f ) 如图2 8 。 而数字信号o ”的输出波形则为零点平，这里采用区问挺度为2 r = 0 0 2 s ，范围是 o ，2 f 】， 1 0 第二章e b p s k 通信研究 那么对于a w g n 信道。假设鉴相输出的噪声分量为玎( f ) ，则积分输出为： q f - ， ) ，一一_ 一 一一 t - - - o 们“o o 叫，；赢o o 盯o o 0 1 田2 4 1 反正切鉴相器输出波形 “l ”信号： “0 ”信号： 2 r ( p ) + 盯( f ) ) 出 0 2 r p ( o a t o 取长度为的随机数字序列输入下的鉴相输出，对每个输出进行积分，并把个积分样值 累加后乘上常数l ，所得值就是所要的判决f j 限值瓦。如果累加妖度比较大且发送码元呈 0 “l ”等概分布，就可以接近最佳门限值瓦。 2 4u n b 数字滤波器 i i p i h 磊习呻厂i h 赢习寸可 圈2 - 9 通信系统的基本框图 在圈2 - 9 数字通信系统的基本框图中，发送滤波器和接收滤波器为基本环节。其中前者确保 已调信号在规定频带内传输，边带不干扰邻道；后者则对降低噪声、提高信噪比及解调效果有重 要作用。在实际发射的己调制信号中，如果发射信号的旁瓣很低，满足美国联邦通信委员会( f c c ) 标准 1 2 l 或我国无线电管理部门规定时，则发送滤波器也可省略，但接收机必须要有滤波器米削减 噪卢以及抵抗邻道干扰。同样，超窄带通信为了能够实现在窄带宽中依然能够保持相位调制信息， 实现高的频带利用率，就要设计不同于常规滤波器的u n b 滤波器。 w a l k e r 先生最造提出了零群延时滤波器，他的3 p r k ”调制在发送端和接收端都使用了级联 的以晶体为主体的超窄带滤波器，可以在相当窄的带宽内使相位突跳具有近于零的群延时，相位 突跳没有被抹平，而是发生了一定的改变，所以相位突跳的波形形状出现一定失真，出现他文章 中所提到的波形缓变及“缺周期”现象，如幽2 1 0 所示。 w a l k e r 滤波器都是用模拟器件来实现比如“以l c 为主体的滤波器”和“晶体州1 滤波器，实现 时难以调谐及分析。我们希望能从理论分析的角度出发，设计u n b 数字滤波器，目标是接收滤波 东南大学硕士论文 图2 - 1 0 通过w a l k e r 超窄带滤波器的示波器信号 器尽可能保持信号特征和最大限度滤除噪声。目前在这方面的研究主要如下：“零群时延”滤波 器1 2 1 ( 以及后来的“低群时延”滤波器) ，小波滤波器，分形谱特征滤波器以及几何特征滤波器。 下面简要讨论“低群时延”滤波器的数字实现。图2 一l l 和图2 - 1 2 是两个极点和一