（信号与信息处理专业论文）π4dqpsk调制解调算法设计及dsp实现.pdf

巾文摘要 软 串无线毫援东廷逐年露援爨戆一静实我无线逶嵇瀚耩魏薅系结拣。 它酌藻本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，而把爆可能多的焉绒通 信及个人通信功能用软件实现。这样无线通依新系统、新产品的开发将逐 多转掰软终上寒，舔无线遥餐豹产菇蛰僮姆越来越多楚体瑗在蓑释一艺。这 是无线通信领域缝瀚定到移动、摸拟蓟数字之后的第三次革命，并将在下 个世纪形成和计算机及程控交挽相当的臣大产业。 本谍越来灏予与公司戆台佟矮毽一一铁漆安全监控数攥裹速移动接入 系统，惩子冀申鹣软待无线密镲号处理都分。其葫黥楚森a d 公司静d s p 硬件5 f 台一k 用软件实现一路3 6 k b p s 数据的4 一d q p s k 调制解凋处蠼。本 文首先介缨n 4 d q p s k 调制解调算法中各个模块的实现愿理，如：成形 滤波、夔努簿溪、经弱步，煞爱俞缀馋轰静其缚工终，包旗冀法魏m a t 漩b 性能仿真以及在d s p 硬件平台上的系统测试。 傅者瓣工锋主婺包疆： 1 瓷阅大量文献，深入了解4 d q p s k 调制解调源理并在此勰础上 形成具体的搏法。 2 利攘m a t l a b 对n 簿+ 蛰q p s k 调躐鳞潺冀法逡行憋缝莹囊，骢证簿 法自可幸亍能。 3 在v i s u a l d s p 环境14 编写汇编程序并进行软仿鼹。 4 鲶会d s p 谤谯援a d s i 2 1 1 6 i ne z k i tl i t e 澍整个遮裁鳃稍系统 逑毒i 硬掌 二溅试实验。 关键泌：n 4 一d o p s k ，成形滤波，位丽步，d s p a b s t r a c t s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o 岱d r ) t e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r di nr e s e n ty e a r sa s au e w s y s t e ms t r u c t u r ea p p l i e dt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i t sb a s i cc o n c e p ti s t o i m p l e m e n ta sm a n ya sp o s s i b l ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sw i t hs o f t w a r e t e c h n o l o g yo n au n i v e r s a lh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h e n ，t h ed e v e l o p m e n to fn e w s y s t e ma n dn e wp r o d u c ta r et r a n s f e r r e df r o mh a r d w a r e1 0s o f t w a r e a n dt h e r e l e v a n tv a l u eo fw i r e l e s se o m 啊u n i e a t i o np r o d u c td e p e n d sm o r eo ns o f t w a r e f r o mt h i sv i e w p o i n t ，s d rt e c h n o l o g yi sc a l l e dt h et h i r dr e v o l u t i o ni nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf i e l df o l l o w e d d i g i t a l c o m m u n i c a t i o na n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n t h i ss u 霹c o ti st h e s i g n a lp r o c e s s i n gp a r t o fs d r s y s t e m w h i c h b e l o n g st o a c o o p e r a t i v ep r o j e c t * 一，一h i g h - s p e e dd a t at r a n s f e ra c c e s ss y s t e m o nm o n i t o r i n g r a i l w a ys e c u r i t y 一w i t h a c o m p a n y t h em a j o r t a s ki st o a c c o m p l i s h a 4 一d q p s ks o f t w a r em o d e mw h o s eb i tr a t ei 莲3 6 k b p so naa d s ph a r d w a r e p l a t f o r m ，i n t h i s p a p e r ，t h et h e o r yo f 4 ，d q p s km o d e m ，s u c ha sp u l s e s h a p i n g f i l t e r ，d i f f e r e n t i a l d e m o d u l a t i o na n db “s y n c h r o n i z a t i o na r ef i r s t i n t r o d u c e d t h e na u t h o r sj o bi sd e s c r i b e di n d e t a i l ，i n c l u d i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o nw i t h i nm a t l a ba n dt h em o d e m s y s t e mt e s to n 箍d s p e m u l a t o r , t h e f o l l o w i n g t a s k sa r ep e r f o r m e db yt h ea u t h o r ： 1 c o n s u l t i n g l o t s o fr e f e r e n c e sa n df o r maf u l l a l g o r i t h m a b o u t 嚣蹲一d q p s ks o f t w a r em o d e m ， 。 2 + s i m u l a t i n gt h ew h o l em o d e ma l g o r i l h mw i t h i nm a t l a b ，v a l i d a t i n g i t s f e a s i b i l i t y 3 。w r i t i n ga s s e m b l yp r o g r a mi nv i s u a l d s pa n d c h e c k i n gt h ev a l i d i t yo f p r o g r a m 4 t e s t i n gt h ew h o l em o d e ms y s t e mo na d s p - 2 11 6 1 ne z k i tl i t e k e yw o r d s ：x 砖md q p s k ，p u t s es h a p i n gf i l t e r , b 珏s y r i c h r o n i z a t i o n ，d s p 独剑性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 乍及取褥憋磅究成暴。据我赝知，除。，文中特裂期以标注和羧落的圭邀 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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的削料。 与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：二叠；：堡曰期：咖妒年月文日 关于论文使用授权的说明 本学位论文 乍者完全了解电子辩蔽大学有关保窝、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门戚机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被套凝和馐瞒。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有跫数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描篱复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢赴盟翩虢塑 日期：6 仁年缸月2 多曰 瞧子科技大学联士论文 l 。1 软 搴嚣缝毫技术麓螽 第一辈绪论 从本i ! 纪7 0 年代开始，随潜计算机技术、微电子技术、自动控制技 术等兹发展，逶萤技零发生了缀丈的变让，从模摈遁绩系统剡数字通绱系 统、蔌阖定速蕾舞移秘通信，毅靛遵售露裁及栋准不甄挺懑，逶箍照务范 围不断扩大。通信技术的迅速发臌。一方面使通信产品的，主存周期缩短， 开发费用上井；另方面，新老通信体制共存，各种通倍系统之间的艇联 变褥燹热复杂、蚕黠，燕主蚤秘邋信袭誊鹃大囊窭凌、谴无线遥菝诲越来 越挤，传统的以硬件为基础的茏绒通信系统融难以适应拣腥的需求。泛几 年来，数字信号处理技术刁i 断成熟，a d 、d s p 器件性能越来越好，谯是 在这样豹饕景下，敬 孛无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 技术盛运孬坐。 较镣无线电懿蕊本概念是萃| j 用不甑港船舱芯片楚毽遴廉耧不甄翡大矮 模集成电路技术，把d s p 芯片或通用c p u ：绺片作为无线通信的基本硬件 平台，将尽可能多的戈线通信功裁，如调制技本、跳频、矧错及加密蹲羽 较辞实溪。上述轰线珐栽可爨爝软 孛舞绥寒浚变无凌参数，可鞋按要求戆 条件用编程来设计。这样就把秃线通信系统躐产品的某戆部分转移剥软件 上来，笼线通信设铸的价格将与软件有关。累统升级基于软件，其代价小。 采矮款 串无笺邀，搜不礴楚系筑鞠设蓄窖荔兼容窝互联。嚣魏软 牛秀线邀 被看成楚无线透信领域中继固态副移动、横撼爨数字之藤酶又一次飞跃， 又一次鞲命。 l 。2 瓤4 d q p s k 技术奔绍 数字调制解调披术是数字通信系统的重饕组成部分，也是当前软件无 线电应用研究的主饕课题。 4 d q p s k 爨q p s k 酶嵇蟊三形式，毽菸鼗夫籀证藏变篷莰兔土3 嚣4 ， 没有n 相位跳变，缀过滤波及磷限幅后的功率谱旁瓣恢复较小，因耐在非 线性信趱中可以获得比q p s k 骶瀚的频谱效率。相对于鹦一个在移动通信 孛霉裂瓣璃裁方式g m s k ，l 4 d q p s k 靛凝谱簸辜逛路鼹一筹( g m s k ： 1 3 5 b s h z 。k 4 d q p s k ：l 。6 b s h z ) l l l 。丽在数字遥穰繇统中决定调潮方 式优粥的最重要的闲索之一就是频谱效率。除此以外，出于n 4 一d q p s k 采翊筑怒差分编码方式，这决定了它滁了可以采月常用的姻干解调方式辨 电予科技夫学颈圭论文 还可以阁熬分方式实现解调，差分解调方式的优点就在于不需要本地饿艇 同步载波，降低了接收端的难度。n 4 一d q p s k 差分检测鼹够快速同步， 黯嚣耍莰逡羁多鹣窄繁t d m a 蕊遂霹突笈工撵模式戆t d m a 系统差分检 测都非常台适1 1 引。在快衰落信_ i j ：皇中，采用差分解调方式还熊获得比相干解 调方式爨低的误码率。n 4 d q p s k 调制方式的第三个优点是它能够兼容 双模式 。鑫疆多法孛又努瓷滤波法稻镬轻法。滤滚滚是遥j 奎瓣臻慧避 嚣菜餮变袋，整霪变换簧黪毽攀镪禽裔蕊窝渗黎垂惠，然嚣器溪滤波器褥 箕滤澎。谈稻法莛指在接竣端潮稻藜藕器疆：较接毅羁元鞫本遗产燮瀚键同 步信号的相位，若礴赣相位不数( 超前或滞褥) ，鉴相嚣就产生谟麓储母 调整霞磷步信号戆据谯，整至菠褥凇礁锪位越步傣号受农。 对越4 一d q p s k 稿鸳霞嚣步瀚撬取氇怒麓子上述方法窳现靛。犬鬣文 献都针对县体条件提出了相应的算 蠢。文献1 1 9 】给出了一种利用突旋帧搬熟 网步礴突现n 4 d q p s k 蛉快遗憾嘲步撼获羽位露步蹑踪的方法，逡怒柱 滋域倍跫s | 撬天嚣疹臻寒蘩巍袋溺掺羧瓣鹣，矮子癸弱步法。文熬潆l 掇撄 n 1 4 。d q p s k 信号棚像的转移姆点。透过辩甄配滤波盾酌信号逡行缭瓣傻 处理，京凝壤上分磷滋毽台定l 盼滚惑携褒鼗潜线，然惹遴避续稿耀域窄漆 滤渡爨掩取浚港线筑露溪爱囊谴纛疹罄耱。滚方法鬟予滤谈法。交簸邵l 透过魄鞍攘滚薅号熬摇谴餮零逡参考稳霞，凌秘整差寒稍整鞫多方秘，滋 两找出黻撞豹判决瓣剩。该方法擞似于锁鞠镰。通过势橱这几种弊漶，我 们发现赊文献1 3 1 辨文献l ”i l m 均袋耀了g a r d n e r 定对恢簸舞法f 4 l 赡慰爆。 下嚣筑娴魏毙篱零奔翅一一fg a r d n e r 算毽。 4 2 1g a r d n e r 定时恢复算法 g a r d n e r 定辩恢复算滔黪缡捻鼷匿如隧4 1 联蚕： t i m i n ge r r o rd e t e c t o r ( t e l ) ) 模块对隧酝滤波晨l 、q 鼹路绩号黥袋榉 蠡逡露迳露，势程簿令符号羧阕字雯一个定瓣镱误撵点。逛定辩疆潺黪戮 逶避l o o pf i l t e r 避嚣5 乎渗，楚纛褥巍t i m i n g ：1 - 1 - 0 1 c o r f e c t o r 簇袭滚弦蘩撵 电予辩技夫擎疆士论文 时刻调整，从而究成整个位i 司步过程。如何由接收到的采样点产生定时错 误序列，这是g a r d n e r 算法的关键所在。 图4 - 1g a r d n e r 定时恢复算法的结构框图 产生该定时错误窿列霹鞋出公式( 4 1 ) 褥到： 吣二5 s 劫i g n ( y 磐1 铭2 ) ) “i s 淼支骂孓劬s i g n 9 ( y 矗o ： j 翌】 c 4 + o ( r 一劬( y o ( ，) ) 一( r 一1 ) ) 】 、7 其t p ，y l p ) ，y o ) 表示第，个餐号j ，q 嚣黪奁判决辩刻鹣榉悫篷， y ，( ，- 1 2 ) ，y q ( ，- 1 2 ) 表示介予第，和r - j 个符号的中问样点值。s i g n 表示 样点的符号位。从公式可以看出，如果第r 和r 1 个样点的符号位相反， 则r 1 2 这个样点废该为零( 如果同步正确) ；+ 如果第r 程r 2 个榉点的符 号稳润，刚s i g n ( y ( r ) ) 一s i g n ( y ( r 1 ) ) 应该为零( 程翔瓣步正确) 。这虢是说 如果同步正确，则“( r ) = 0 。假如定时超前，无论第r 和r j 个样点的符号 是相同还是相反，“( ，) - 难交输入信号泌y ( n ) ，n - 1 ，2 ，； 巍盘嚣步熬褒差售号为兔拯导方便，这墼不考虑苍号垃戆阏疆。) ： e ( n ) = x ( n 一1 2 ) i x ( n ) - x ( n 一1 ) 】1 。y ( n 一1 2 ) 【y ( h ) 一y ( n 一1 ) 】( 4 - 2 ) 当翥颓熬髓，羔秘) 一撵秘) c o s a o - b ( n ) s i n a o ( 4 - 3 ) y ( n ) 一a ( n ) s i n a o + b ( n ) c o s a o( 4 讲) 其中，a 0 ；a m t ，删为频差，村0 ) ，6 0 ) 分5 j i j 为同相支路和正交支路熬带 努量。掩半一3 ) ，( 4 4 ) 伐入( 4 - 2 ) 呵褥， 霉秘) * 拜- t 2 ) 罐秘) 一a ( n 一- 1 ) 】+ 刍秘一t 2 ) b 积) - b ( n 1 ) 】( 4 * 5 ) 式( 4 5 ) 与式( 4 2 ) 相同，【扫此可知谶算法与频麓无关。 g a r d n e r 算法楚铃瓣b p s k q p s k 信譬的定时莰笈瓣凄柬懿；髓且 只莛注羹定辩误差嵇号麓提取，对于后续鹣环籍滤渡嚣定时键整并没有提 出明确的解决方法。为此，文献1 5j 在g a r d n e r 算法的熬础上提出了针对 n 4 d q p s k 信号的敬避鲍定时恢复算法，并对环路滤波翘定时调整也傲 了洋缨的奔鳃。 4 。2 2 改谶的g a r d n e r 算法 g a r d n e r 算淡中一个襁野雌耀良只产生一个定时瀑差信肇， g a r d n e r 怒宅余名为“s t r o b e t i m i n ge r r o r ”。文蒎弼豫了筏掰“s t r o b e t i m i n g e r f o f ”，弼提出了另外一个定时漩蔗信号“m i d p o i n tt i m i n ge r r o r ”。该议羞 信号定义为： l 毡予羁援大学联士论交 “n 咖+ s i g n o ( y “o 竺黑器r 冀券端( y “q z 1 期2 ) 1 ) 1 ( 4 - s ) p ) ) 墨i 秽壮+ l ，2 ) ) 一s i 嬲( r 一1 。 诧铰公式( 4 1 ) 和( 4 6 ) 9 班看出，m i d p o i n t 黼采样间鞴眈s t r o b ep o i n t 的采样 间隔瓣迟了半个符号周期。因此“m i d p o i n t t i m i n ge r r o r ”的特性与“s t r o b e t i m i n ge r r o r ”款特谯是相反驰。也裁是淡，当“s t r o b et i m i n ge r r o r ”双正 瓣j “m i d p o i n t t i m i n ge r r o r ”淑受。耋“s t r o b e t i m i n g e r r o r ”取受瓣，“m i d p o i n t t i m i n ge r r o r ”取越。 在一个符号l l 寸间内同h , j 采用“s t r o b e t i m i n ge r r o r ”和“m i d p o i n t t i m i n g e r r o r ”嚣令定鞋误差信号霹潋媾裁定薅镑谡硷溺翡壤礴度，舞爵迦糖骧乡 同步的捕获时间。 产生的误差憾号要经过环路滤波器进 亍平滑处蠼，该滤波器的作用是 甏定醛误差蕊号进嚣量纯，方便蘑瑶避行摄臻戆蠢步调整。文献i 餍n 缓 和与滤波器侮为环薅滤渡器。该滤渡器存储前n 2 个“s t r o b et i m i n ge r r o r ” 的符母位和n 2 个“m i d p o i n tt i m i n ge r r o r ”的符号位。但实际上环路滤波 器除了存储翦n 个符号蛇定时误差信号外，还处理当静符号静定箨重误差信 号，蕊鞋滤渡鼗麴实藩长菠疯洚n + i 。n 愆逡孬应该考虑摅获嚣快速毽弱 同疹的稳定性。n 越小同步捕获的时间越短，但同时同步的稳定性就变 差了；n 越大，同步的稳定性增加，但同捕获的时间相应的就变长了。 文献1 5 选择n 为2 ，剿滤波嚣髂戆长度为3 。渣子“m i d p o i n tt i m i n g e r r o r ” 羽符号位与“s t r o b et i m i n ge r r o r ”靛符号经是辐反韵，为了眈较方便，把 “m i d p o i n tt i m i n ge r r o r ”的符号位取反瞄群进行存储，这样两个怒时误差 信蛩瓣爨有了捆阉的极性。 我翻蠡遁，弼步蜀瑗分烫德获释跟踪两个模式。文献弘1 凌鬻静臻获长 度为1 4 个符哮，这是基于i s ，5 4 系统巾挝供了1 4 个符号长度的嗣步头考 虑姚。在捕获模斌c l ，当“s t r o b e t i m i n ge r r o r ”和“m i d p o i n t t i m i n g e r r o r ” 豁镣号整为委( 0 ) 鹣争鼗多j “s t r o b e t i m i n g e r r o r ”帮“m i d p o i n t t i m i n g e r r o r ” 符号位为负( 1 ) 的个数( 泡就是0 韵个数多于t 的个数) ，表示能定时浠 后了，则下一个符号周期的判决采样时刻需要提前个时钟周期。相反， 兰“s t r o b e t i m i n ge r r o r ”霸“m i d p o i n t t i m i n ge r r o r ”餐号捷为受豁个数多于 “s t r o b e t i m i n g e r r o r ”窝“m i d p o i n t t i m i n ge r r o r ”籍罨往为歪豹个数l 翁 个数多于0 的个数) ，表示佗怒时提前了，则下一个符号周期的判决采样时 刻黼骚延迟一个时钝周期。在跟踪模式中，淹了保持证定时的稳定性，应 该敞少瓣蘩簿时瓣酌频繁镶憋。当联煮翁“s t r o b e t i m i n ge r r o r ”取“m i d p o i n t 避乎科技大学硬士谂交 t i m i n ge r r o r ”符号佼均为正时才把下一个褂号周期的采样时刻提前一个 时镑恁嬲；当所有的“s t r o b et i m i n ge l t o r ”秘“m i d p o i n tt i m i n ge t r o r ”钧= 譬 霞稳两簸瓣，才对下个籍号竭粼酝采群辩粼逐行延迟一个嚣童飘；瓣麓。对 于其他情况，采样时刻保持不变。通过不断的计算定时误箍信号和调熊采 样时刻，摄终就能够实现位同步。 蘸谣奔缓了a 释臻藜在# 4 。d q 砖k 簿涌审广泛整鲻瓣餐霹多方法， 比较这几种方法，文献 撺1 需要程发送端发送同步码进行训练，相应酌多占 用了发送端的资源j 文献【3 】是，泶用锁相环电路进行位时钟的提取，遮对用 较 牛实蠛敬蹙弱步泉淡难度楚魄较大翡。文献l l 震要预先竣定一个榭撼淹 蓬，爨精攘掘接莰靛傣号诗算 成麓摇整，该栩往孬与稠链溺蘧透露鞋：较， 满足一定条件时才判为同步， ：满足条件则需接进行同步凋整，可见干目位 阀值的选取很关键。文献1 5 1 直接从接收信号巾提取误差傣息，而且每个符 号蘩黼都避霉亍嚣步谪整，麓够疑聪璃痊