（通信与信息系统专业论文）毫米波通信系统中基于fpga的数字上变频方法研究.pdf

摘要 本论文介绍了毫米波通信系统中常用的上变频方案和调制方式，比 较了它们的性能和特点，最终在发射系统中选择了d q p s k 调制方式。提 出了一种利用数字上变频技术进行基带信号的数字域上变频调制的方 法。系统设计采用了现场可编程逻辑器件f p g a 和通用正交上变频器 a d 9 8 5 7 相结合的方案。 本设计硬件平台以a d 公司的a d 9 8 5 7 为核心，在数字域完成了基带 数字信号内插滤波、j 下交调制、d a 变换等功能；选用a l t e r a 公司的 c y c l o n e 系列e p i c 6 q 2 4 0 c 8 完成了基带数字信号的处理，并实现了对 a d 9 8 5 7 的控制。软件部分，应用q u a r t u s i i 和硬件描述语言v h d l 在f p g a 中完成了基带数字信号处理模块( 串并转换模块、差分编码模块) 和与 a d 9 8 5 7 的通信模块( 串口通信模块、并口通信模块) 的设计，并进行 了仿真，仿真结果达到了设计要求。整个系统实现了在7 0 m h z 中频载波 上的d q p s k 调制。系统具有结构简单，控制灵活，频率分辨率高，频率 变化速率高等优点。 关键宇：调制d q p s k 数字上变频直接数字频率合成 a d 9 8 5 7 f p g a a b s t r k 、 t i l i st h e s i si n t r o d u c e ss o m em o d u l a t i o l lm a n n e r sa n du p - c o n v e r s i o n s c h e m e s ，c o m p a r i n gt h e i rp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l yt h ep a p e r s e l e c t sd q p s km o d u l a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fd i g i t a lu p c o n v e r s i o n t h e o r y ，as c h e m et o r e a l i z eb a s e b a n dd i g i t a l s i g n a l m o d u l a t i o na n d u p - c o n v e r s i o n i s p u t f o r w a r d t h es y s t e mi s d e s i g n e d w i t hf i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a n dq u a d r a t u r ed i g i t a lu p - c o n v e r t e r a d 9 8 5 7 t 1 l eh a r d w a r es y s t e mi s m a i n l yc o m p o s e do fa d 9 8 5 7f r o ma d c o m p a n ya n de p i c 6 q 2 4 0 c 8f r o ma l t e r ac o m p a n y n l ep r o c e s s i n go f d i g i t a li n t e r p o l a t i o n ，d i g i t a lf i l t e ra n dq u a d r a t u r ed i g i t a lm i xa r ea l lf i n i s h e d b ya d 9 8 5 7 t h i ss c h e m eu s e sf p g a t op r o c e s sb a s e b a n dd i g i t a ls i g n a la n d c o n t r o l sa d 9 8 5 7i nr e a l - t i m e b a s e b a n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi n c l u d e s s e r i a l - p a r a l l e l c o n v e r s i o na n dd i f f e r e n t i a lc o d i n g c o n t r o lp r o c e s s i n g i n c l u d e ss e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n a n d p a r a l l e l i n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nf p g aa n da d 9 8 5 7 1 1 1 es o f t w a r es i m u l u t i o ni s c a r d e do u tw i t hq u a t u s1 is o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e v h d l t h ew h o l es y s t e mr e a l i z e sd q p s ku p c o n v e r s i o nw i t h7 0 m h z c a r r i e rf r e q u e n c ya n ds a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t s t h es y s t e mi so fs i m p l e s t r u c t u r e ，f l e x i b l ec o n t r o l ，h i g hf r e q u e n c yr e s o l u t i o na n df a s tf r e q u e n c y s w i t c h i n gs p e e d k e yw o r d s ：m o d u l a t i o nd q p s kd i g i t a lu p - c o n v e r s i o n d d s a d 9 8 5 7f p g a 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，毫米波通信系统中基于 f p g a 的数字上变频方法研究是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：壹玉盔圣竺持：_ 三月鱼同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：量垫竺1 2 年j 月鱼日 指导新签名：e 越6 三墨噼月上日 1 1 毫米波技术介绍 第一章绪论 毫米波是指波长为1 c m l m m ，频率为3 0 g h z 3 0 0 g h z 的电磁波， 该频段称为极高频频段“1 。从通信领域的应用来看2 ： i 毫米波波长极短。此特性带来的优点是非常有利于射频设备的小 ( 微) 型化和获得较强的方向性。在军事通信中，通信天线方向性很强 对提高通信系统的抗干扰、抗截获能力是十分有效的。同时波长短在应 用中也会带来负面效应，为保证系统的性能，设备加工精度要求极高， 元器件的寄生参数要减小到最低程度，这就造成了毫米波元器件和设备 的价格昂贵；而小尺寸也限制了元器件的功率容量。 2 毫米波具有穿越电离层的透射特性。包括毫米波在内的微波具有 穿越电离层的透射特性。在微波和光波频段，对流层、同温层的影响也 是不容忽视的。虽然大气和降雨等对毫米波传播影响很大，但毫米波仍 具有不同程度的穿透能力，特别是在某些“大气窗口”，对毫米波的传 播十分有利。 3 毫米波频带宽。按3 0 g h z 3 0 0 g h z 这一范围计算，整个毫米波带 宽高2 7 0 g h z 。考虑到大气的影响，通常选用大气吸收峰以外的“窗口”， 即使这样，常用的毫米波频谱资源仍是十分丰富的，可以满足信息时代 人们对数据、宽带图像业务等大容量信息传输与处理的需求。 4 毫米波传播受大气和降雨等影响。毫米波传播通过大气层时引起 衰减主要是水蒸气和氧的吸收所致，雨、雪和冰雹引起的衰减更为严重。 此外，它们还会改变电磁波的极化，增加系统的噪声温度。特别是降雨 的影响，严重地制约了毫米波在通信中的应用，这是十分值得注意的， 需要采取有效的抗雨衰技术。 毫米波的大气传输特性，决定了各频段的用途。毫米波频段有四个 低损耗大气“窗口”，它们的中心频率在3 5 ，9 4 ，1 4 0 和2 2 0 g h z 附近， 其可用带宽分别为1 6 ，2 3 ，2 6 和7 0 g h z ，一般系统都工作于这些“窗口” 频率。任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可以把包括微波频段 在内的所有低频段容纳在内。这些宽带特性，在雷达中可用窄脉冲和宽 带调频技术获得目标的细部特征。在通信系统中能传送更多的信息，大 大拓宽已十分拥挤的通信频谱，为更多的用户提供互不干扰的通道。宽 带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。同样，对应的中心 频率为2 2 ，6 0 ，1 2 0 和1 8 3 g h z 这些大气高衰减区频段成为保密通信的 首选工作频率。 1 2 毫米波的发展现状和研究目的 频率低端无线频谱已十分拥挤，通信业务量迅速增加，通信已进入 高频段、大容量、远距离、高可靠的直接传递阶段 3 1 0 毫米波频段相对 空闲，同时由于其独到之处，使得它在通信领域罩找到了自己的位置。 毫米波波长短，因而其设备体积小、重量轻、机动性好，这些特点正是 精确制导武器和各种飞行器所必备的。毫米波系统除军事应用外，在射 电天文、民用通信、遥感技术、车船防撞、频谱学以及生物效应的应用 方面也大有作为。 近些年来，国外微波毫米波的研制技术已经达到相当高的水平，国 内也广泛开展了毫米波频段的研究，并取得了很大的进步。毫米波元件 和电路都十分丰富，使得毫米波发展和应用的i ； 景更广阔。在同本、西 欧和美国的毫米波通信技术，都已从试验阶段进入到中小功率的应用阶 段。美国自1 9 7 6 年首先在陆军中试用了全双工台，现已扩展到海军、 空军和其它特种部队，作为快速保密的通信工具。毫米波通信在铁路交 通管理和电话网的延伸中都得到应用。同本已经开通了约7 0 0 条短距离 的无线链路。5 0 6 0 g h z 范围的商用本地小区制无线通信网络的研究工 作正在进行中。在导弹的未制导系统中，由于毫米波制导兼有微波制导 和红外制导的优点，加之毫米波制导系统受导弹飞行中形成的等离子体 的影响较小，国外许多导弹的未制导采用了毫米波制导系统。毫米波电 子对抗由于毫米波雷达和制导系统的发展，相应的电子对抗手段也发展 起来了。据报道美国的电子对抗设备中侦察部分1 l o g h z 以下已实用化， 正在向3 0 0 g h z 发展。毫米波通信系统中地球上的点对点毫米波通信基 本上只用于对保密要求较高的接力通信中。而在卫星通信中则由于毫米 波段频率资源丰富而得到了迅速发展。 我国毫米波研究工作起步相对晚些。由于材料、工艺的发展为毫米 波元器件的发展创造了条件。在毫米波系统中应用的半导体器件有混频 器、低噪声放大器、倍频器、功率放大器及振荡器，这些器件都已有批 量生产的商品可供选择。毫米波集成电路和毫米波固体器件的研制成功 并批量生产，大大推动了毫米波应用技术的发展。 军用毫米波通信是战场环境下很有发展前途的通信手段，它具有波 束窄、数据率高、电波隐蔽、保密和抗干扰性能好、开设迅速、使用方 便灵活以及全天候工作的特点。军用毫米波通信主要应用有：保密通信， 快速应急通信，对潜通信，卫星通信，星际通信等。 2 本设计中毫米波应用于地面通信系统。毫米波地面通信系统是典型 的视距通信“1 。作为地面通信系统应用时，其中一种传统的广为应用的 基本方式是点对点交互通信。由于大气吸收及降雨衰减影响严重，单跳 距离较短，当用于远程接力( 中继) 通信时，将需要比低频段的微波系 统更多的中继站，在系统成本和可用度等方面将遇到更为严重的挑战， 故而地面应用时，作为中、短程通信更为可取：又因为毫米波具有丰富 的频带资源，可提供大、中通信容量。毫米波本身就具有隐蔽性和抗干 扰性，同时由于毫米波在大气中的衰减和使用小口径天线就可获得极窄 的波束和很小的旁瓣，所以对毫米波通信的截获和干扰变的非常困难。 下面主要介绍毫米波点对点通信的发展现状。 m a c 0 m 低窃听概率电台是美军研制的造价低、结构紧凑、集成毫 米波前端的电台。 根据目l ； 的发展情况可以看出毫米波通信今后的发展方向是： 1 低成本、小体积、轻重量、高可靠性的毫米波单片集成电路将成 为发展的主流，并且将使军用和民用的毫米波通信得到更广泛的应用。 2 为了增加传输距离，必须提高信号源的输出功率，为此对信号源 应采用功率合成技术。 3 前端元件由分立元件向集成化发展，因此自口端将需要进一步的集 成化。 4 为了增加传输容量，充分利用毫米波宽带的特点，多进制通信体 制研究将成为系统应用工作的研究方向。 5 伴随着社会信息化的进程，在宽带多媒体通信、宽带无线接入的 个人通信领域中，毫米波通信成为或将成为不可缺少的重要支柱。毫米 波将向更高频段、更宽射频带宽发展。 1 3 毫米波通信系统的基本组成 图1 1 给出了典型的毫米波通信系统的基本组成 5 1 0 在其通信设备 中，发射机是将基带信号转换成可在信道上传输的射频( r f ) 信号。在 无线通信中，天线是不可缺少的，它用于将发射机沿某种传输线送来的 射频信号以电磁波的形式向空间辐射；在接收端，天线的作用是收集发 射端发来的电磁波并通过传输线送入接收机。接收机的作用是进行与发 射机相反的处理。接收机收到的电磁波的传播途径中所经过的空间区域 称为信道。通常，通信是双向的，而天线是收发共用的，因此，一部通 信设备装备有收、发信机及相应的终端。收、发信机通过双工器与天线 连接。 幽1 1 典型的毫米波通信系统的基本组成 1 4 本论文主要工作 毫米波频率很高，在3 0 g h z 3 0 0 g h z 范围。由于基带的频谱全部都 延伸到很低的频率范围，为了利用毫米波的辐射来传输，就要通过调制 和上变频技术将基带信号的频谱的位置搬移，移到毫米波的射频范围。 本论文完成了毫米波通信系统中的发射端的上变频调制方案设计。系统 发射端结构框图如图1 2 所示。 4 图1 2 系统发射端上变频结构框幽 本论文在研究了毫米波通信系统的基础上，提出了一种利用数字上 变频技术进行基带信号的数字域调制和频率变换的方法。系统采用了现 场可编程逻辑器件f p g a 和通用正交上变频器件设计了发射端上变频和 调制电路，完成了在7 0 m h z 中频的d q p s k 调制。本设计硬件平台以a d 公 司的直接数字频率合成芯片a d 9 8 5 7 为核心，在数字域完成内插、滤波和 j 下交混频：选用a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列e p l c 6 q 2 4 0 c 8 完成了基带 数字信号处理和对a d 9 8 5 7 的控制。软件设计部分，应用q u a r t u s i i 软 件和硬件描述语言v h d l 在f p g a 中完成了基带数字信号处理模块( 串并 转换模块、差分编码模块) 和对a d 9 8 5 7 控制模块( 串口通信模块、并 口通信模块) 的设计，并进行了仿真，结果满足设计要求。 第二章数字通信系统调制技术的研究 2 1 发射系统上变频方案的选择 发射系统是毫米波通信系统中的重要组成部分1 。其作用是将己调 波经过某些处理( 如变频、放大等) 之后，输送给天馈系统，发向通信 对方或转发中继站。 1 发射系统基本功能”， ( 1 ) 在给定的毫米波射频上，产生足够大的射频信号功率，以满足 通信对方或转发中继站接收机对信噪比的要求。 ( 2 ) 发射功率控制：应能调节输出功率，在正常情况下保持功率电 平的高稳定度。 2 发射系统有三种基本体制 ( 1 ) 直接调制式：基带信号直接对毫米波射频进行调制，然后将已 调波信号放大到足够的功率电平。 ( 2 ) 变频式：基带信号对中频载波进行调制，然后通过频率变换将 其变换为毫米波已调信号，最后经毫米波功率放大器放大到足够的功率 电平。由于是从较低的载波( 中频) 变换到较高的载波( 毫米波频率) ， 这一频率变换设备称作上变频器，上变频器中可用一次或多次变频方 案。 ( 3 ) 倍频式：基带信号对较低频载波进行某种调制，然后通过倍频 将其变换为毫米波已调信号。 根据以上所述，发射系统的基本组成如图2 1 所示。在完整的意义 上，它应包括调制器、上变频器( 对于变频式) 、倍频器( 对于倍频式) 、 频率源和功率放大器。 ( a )直接式 6 ( b ) 变频式 ( c ) 倍频式 幽2 1 发射系统的基本组成 本设计中毫米波通信系统采用图2 1 中的变频式体制。首先对 7 0 m h z 中频载波进行调制，然后将7 0 m h z 己调波信号通过两次上变频转 换得到3 4 g h z 毫米波以调信号。 2 2 毫米波通信系统中数字调制方式的选择 一个通信系统的质量，在很大程度上依赖于所采用的调制方式。从 信息论的观点看，调制必须使信号特性与信道特性相匹配，因此，调制 方式的选择是由系统的信道特性决定的，不同类型的信道特性要用不同 类型的调制方式。 2 2 1 数字调制方式的比较 数字通信系统中主要有三种基本的调制方式即伸1 ，a s k ( 振幅键控) 、 f s k ( 频移键控) 和p s k ( 相移键控) 。当前，数字通信的发展非常迅速， 为了提高数据传输的效率和可靠性，近年来还根据不同的用途和要求， 提出了许多调制方式，如o f d m 和t c m 。尽管这些调制方式有多种形式， 但仍可以把它们看作是基本调制方式的改进、变形或分支。表2 一l 是目 前常用调制解调方式性能的简单比较。 表2 - 1 数字调制解调性能分析 在抗高斯噪声方面”1 ，p s k 性能最好，d p s k 次之，其次是f s k ，而 a s k 性能最差。p s k 性能优于d p s k 系统，但可能会出现相位模糊现象， 故实用上大多采用d p s k 。从系统的频带利用率来看，p s k 和a s k 比f s k 占据更窄的信道带宽，即p s k 和a s k 更有效，所以从抗噪声性能和提高 信道带宽利用率角度来看，p s k 是所有二进制键控方式中最优的一种。 为了提高频谱利用率，越来越多地使用多电平基带信号及其相应的多相 相移键控( m p s k ) 。 在选择适合毫米波通信信道的调制方式时，要注意以下几点“”： 1 要特别注意它与系统之问在信噪比方面的匹配度，要尽量使用在 相同信噪比的条件下，具有较低误比特率的调制方式( 即抗干扰能力较 强) ，同时要兼顾其对频带的要求。 2 要考虑其在非线性信道上性能的恶化量，要尽量使用恒包络调制 方式。 3 要分析其抗衰落性能，并考虑能采取适当的措施予以补偿。 目前的研究结果表明，线性调制技术，如b p s k 、q p s k 、d p s k 和q a m 都可以用于像毫米波信道这样的宽带无线信道。参考现有的毫米波通信 系统，我们根据数字通信系统的容量等级来选择。对于小容量系统，以 选择4 p s k 4 d p s k 为主，也可选择2 p s k 2 d p s k 或2 f s k ；对于中容量系 统，以选择4 p s k 4 d p s k 为主，也可选择8 p s k 或2 p s k 2 d p s k ；对于大 容量系统，以选择1 6 q 埘为主，也可选择8 p s k 。今后将逐步采用频谱 利用率更高的调制方式，如6 4 q a m 、2 5 6 q a m 等。 在调制方式的实现方面，2 p s k 2 d p s k 设备简单、抗干扰能力强， 8 对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但频谱利用率不高。2 f s k 设 备简单，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但其频谱利用率和抗 干扰能力都比2 p s k 2 d p s k 差。4 p s k 4 d p s k 的频谱利用率是2 p s k 2 d p s k 的两倍，抗干扰能力与后者一样，设备复杂程度只有少许增加，对衰落 信道的适应能力适中，对信道的线性指标要求也不太高。8 p s k 与 4 p s k 4 d p s k 相比，具有更高的频谱利用率，但设备复杂程度有所增加， 对信道的衰落和失真特性也比后者敏感，需要采取一定措施来改善性 能。 通过前面的分析比较，本设计最终选用了d q p s k 调制方式，它的频 谱利用率要高于2 p s k 等方式，而抗噪声性能高于8 p s k 、1 6 q a m 等，且 工程实现简单，成本较低。目前中小容量的微波通信中，都以4 d p s k 调 制为主。4 d p s k 只是在4 p s k 调制器串并转换后接了一个差分编码器， 其它并没有改变。 2 2 2d o p s k 调制原理 四相绝对相移键控q p s k 利用载波的四种不同相位来表征4 种不同的 数字信号“。因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，每 两个比特编为一组，然后用四种不同的载波相位去表征它们。四相相对 相移键控d q p s k 是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。 相对相移本质上就是由绝对码转换而来的差分码的数字信号序列的绝 对相移。 1 多相制的表达式及相位配置 设载波为c o s s e t ，相对于参考相位的相移为丸，则m 相制调制波 形可表示为“钉 。( ，) = g ( ，一n 巧) c o s g k f + 九) = c o s e c c o 哦- 西一珂) 一s i n m j s i n 吮g o 一甩) ( 2 ，1 ) 式中，g ( f ) 是高度为1 ，宽度为的门函数。 丸= b 岛 概率为只 概率为只 巳概率为只 9 ( 2 2 ) 由于一般都是在0 2 万范围内等间隔划分相位的，因此相邻相位的 差值为 口：堡 ( 2 3 ) ，竹 令 a 月= c o s 丸= b n = s i n 9 ，= i c o s t ；! j c o s 岛 l c o s t g 。, s i n e , s i n 良 s i n 以 概率为只 概率为只 概率为匕 概率为只 概率为只 概率为只 且0 + 最+ + 只= 1 这样式( 2 1 ) 变为 e ( f ) = 口。g o 一打巧) c 。s q ，一 莓以g g 一以) s ；n 致， 2 ，( ，) c o s 哎，一q ( ，) s i n 刚 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第一项称为同相分量，第二项称为正交分量。可见，多相制信号可 等效为两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和。 根据以上的分析，我们知道相邻两个相移信号其矢量偏移为 2 z m 。但是，用矢量表示各相移信号时，其相位偏移有两种形式。如 图2 2 所示，它就是相位配置的两种形式。图中注明了各相位状态所代 表的女比特码元，虚线为基准位( 参考相位) 。对绝对相移而言，参考 相位为载波的初相；对差分相移而言，参考相位为前一已调制码元的末 相( 当载波频率是码元速率的整数倍时，可以认为是初相) 。各相位值 都是对参考相位而言的，正为超前，负为滞后。两种相位配置形式都采 用等间隔的相位差来区分相位状态，即删进制的相位间隔为2 z 所。这 样造成的平均差错概率将最小。 1 0 1 0 一 三相 霉相o 龃| r 娑帼 0 1 0 0 石2 体系万4 体系 图2 2 相位配置父母图 1 0 2 四相制信号产生方法 四相铜j q p s k 信号的产生方法有正交调制法、相位选择法和插入脉冲 法。后两种方法的载波采用方波。 ( 1 ) 正交调制法 q p s k j 下交调制器方框图如图2 3 n 示。输入的串行二进制码经串并 变换，分为两路速率减半的序列，再经过极性变换产生双极性二电平信 号，( f ) 和q ( f ) 。然后分别对同相载波c o s a ，, t 和正交载波s i n a , t 进行调 制，相加后即得到了q p s k 信号。 图2 3q p s k 正交调制原理框图 在直接调相的基础上加码变换器，就可形成4 d p s k 信号。串并变换 器将输入的二进制序列依次分为两个并行的二进制序列。在差分编码器 当中对其进行四进制差分编码，编码后的数据通过成型滤波器进行滚 降，滚降后的i 、q 两路基带信号分别对问相载波及正交载波进行调制。 ( 2 ) 相位选择法 q p s k 也可以用相位选择法产生，用数字信号去选择所需相位的载 波，从而实现相移键控，其原理图如图2 4 所示。载波发生器产生4 种相 位的载波，输入的数字信息经串并变换成为双比特码，经逻辑选择电路， 每次选择其中一种相位的载波作为输出，然后经过带通滤波器滤除高频 分量。这是一种全数字化的方法，适合于载频频率较高的场合。 图2 4 相位选择法产生q p s k 信号 若逻辑选相电路还能完成码变换功能，就可以形成4 d p s k 信号。 ( 3 ) 脉冲插入法 图2 5 是脉冲插入法的框图，它可实现7 2 体系相移。主振频率为4 倍载波的定时信号，经两级二分频输出。输入信息经串并变换逻辑控 制电路，产生石2 推动脉冲和7 t 推动脉冲。在x 2 推动脉冲作用下第一 级二分频电路相当于分频链输出提i j 7 2 相位，在7 1 推动下第二级二分 频多分频一次，相当于提前石相位。因此可以用控制两种推动脉冲的办 法得到不同相位的载波。显然，分频链输出也是矩形脉冲，需经带通滤 波才能得到以j 下弦波作为载波的q p s k 信号。用这种方法也可实现4 d p s k 调制。 图2 5 脉冲插入法原理方框图 1 3 第三章数字上变频技术 随着数字技术的发展，短波通信的实现已经由模拟电路向数字电 路转变，进而向软件无线电方向发展。数字上变频技术是以现代通信中 的软件无线电理论为基础“”，具有分辨率高，频率容易改变，相位线 性变化，易于数字控制等优点。因此数字上变频技术正得到越来越广泛 的应用。 数字上变频技术所依据的基本技术主要包括多速率信号处技术、 高效数字滤波技术，以及数字域j 下交混频技术等“”。其原理框图如图 3 i 所示。 图3 1 数字上变频系统的结构框图 3 1 多速率信号处理技术 h 采样率转换是对采样后的数字信号x ( 珂) 直接进行采样率转换，以 得到新的采样数据。采样率转换通常分为抽取和内插。抽取是降低采样 率以去掉多余数据的过程，而内插则是提高采样率以增加数据的过程。 抽取和内插是多速率信号处理理论中最基本的技术。 数字上变频器的输入基带数字信号通过内插器及其低通滤波器实 现抽样率的增加“，实现信号速率与后续数字处理信号( 如载频信号) 速率一致。通常的低通滤波器设计往往要求通带要平、过渡带要窄、阻 带衰减要大。但是抽样率变换的滤波器，其要求不完全是这样。根据内 插原理及其对信号频谱影响的分析可以知道，设计内插低通滤波器时需 要考虑的是如何完整保留基带频谱同时更好的抑制高频镜像分量。 1 内插原理 1 4 整数倍内插是在己知的相邻两个采样点之间插入i - 1 个采样值的 点。由于这i 一1 个采样值并非已知的值，所以关键问题是如何求出这i - 1 个采样值。从理论上讲，可以对已知的采样序列z ( 正) 进行d a 转换， 得到原来的模拟信号z ( f ) ，然后再对x ( ，) 进行较高采样率的采样得到 y ( 玎：疋) ，这里正= 幔，式中i 为大于1 的整数，称为内插因子 1 7 1 。 整数倍内插是先在已知采样序列x ( 啊正) 的相邻两个样点之间等间 隔插入i 一1 个0 值点，然后进行低通滤波，即可求得i 倍内插的结果。这 种内插方案如图3 2 所示，图中1 个，l 表示在j ( 啊正) 相邻样点之间补i 1 个0 ，称为零值内插器。零值内插后，得到v ( 瓦) 。v ( l ) 经过办( 兀) 低通滤波器变成y o ：疋) 。x ( 一正) ，v 如：正) 及y o ：五) 如图3 3 所示。 i 鳘1 3 2 零内插方案的系统框图 1 1一一， 1 一一 吗 卜卜 图3 3 内插过程的序列 2 整数倍内插的频域解释 上述的零值内插方案中，设z ( 啊五) 为模拟信号x ( f ) 的采样序列， 并假定x ( ，) 其傅罩叶变换x o q ) 如图3 4 所示。 l 并1 一q t o ， 幽3 4x o n l 的示意图 按照内插的概念，y o ：正) 应为以采样间隔正对x o ) 的采样序列，且 满足正= 互i 。于是x o 正) 、y 0 ：疋) 及其傅里叶变换0 ，m ) 、】，g 一) 如图3 5 所示。x g - n ) 和y ( p ，m ) 均为周期函数，若二者都用模拟频率q 表示，则x g ，”) = x g n ) ，周期为q 。= 2 a - i t 。；v ( e j 啦) = y g m ) ，周 期为q 。2 = 2 ，r t 2 = m 。l 。 1 6 川皿 f 【1j l 。 艮矿l |。卅 q l = ，q _ _ l y ( 一”) i f一 图3 5 石( q 7 i ) ，v ( 慢正) ，y ( 如正) 幕i x ( e 问) ，矿( 一。) ，】，( e m ) ，1 = 3 内插过程的序列和相应的频谱变化 下面分析图3 2 中v 0 ：疋) 的频谱，最后讨论为了得到满足插值要求 的y 0 ：疋) ，对矗( 五) 的技术要求。 ，o ：疋，； ：( z 争) 霎善2 。，2 ， 。， i o 其它 。7 v ( 啦正) 的傅里叶变换矿( e 。啦) 为 ， 一t 卜 峨 1 矿( 扩) = v ( 他互) 一嘞= v ( 吃互垆 也。o也“ = 磊工( 争巧户埘叫= 主柏咿硒 = ( 一哪) = x ( 一q ) ( 3 2 ) 上式表明y k m ) 和【e 衄) 的频谱相同。如图3 5 所示，实质上， v 加：正) 的信息与x ( n 正) 完全相同，所以二者应该具有相同的频谱。在图 3 5 中，q 俯l = 2 7 r r , ，q 镏2 = 2 石瓦= 2 7 r l 亿，) = m 加l 。y k 啦j 与l ，k 。啦j 相比较，y k m ) 多出了从q 。：一q 。之间的部分，通常将这部分频谱称 为镜像频谱。要想从y ( e j n 惰到如图3 5 所示的y k 一) ，只要滤除这些 镜像频谱即可实现。所以滤波器 ( 胛，t ，) 的理想频率响应的幅频特性如 图3 6 所示。实际工作中q 。2 q 。，所以日( p ，4 ) 有一定的过渡带，可 用线性相位f i r 滤波器实现。 1 日妒“】 厂 厂 一 幽3 6 低通滤波器的理想幅频特性 内插后的信号频谱是原始序列频谱经i 被压缩后得到的，内插不会 发生信号频谱混叠现象。 内插不仅提高了时域分辨率，而且还提高了输出信号的频率。内插 器实际起到了上变频的作用，输出数据率提高了( i 1 ) 倍，频谱结构 并没有改变。内插滤波器的基本原理是在被处理信号的采样结果中内插 零，作为处理数据进行滤波，这使得其在通信、信号处理等领域中有着 广泛的应用。在全数字载波机中，为了使要发送的信号在时域的分辨率 达到d a c 的转换速率，必须对基带成形后的数掘进行内插。 3 2 高效数字滤波器技术 数据率变换能否成功的关键在于如何设计抽取或内插后的数字滤 波器“”，该滤波器性能的好坏直接影响到取样率变换的效果。半带滤 波器( h b ) 和级联积分梳状滤波器( c i c ) 具有特别重要的作用，两者 独特的性质可以使滤波过程中的运算量成倍地减少。 1 h b 半带滤波器 半带滤波器可实现2 ”倍数字内插算法。设一种f i r 的冲激响应矗b ) 为实数且为偶对称结构，其频率响应h ( e j 。) 是以2 万为周期的实函数， 且是缈的偶函数。如果其通带宽度等于阻带宽度，通带波动等于阻带波 动，这样的f i r 滤波器就称为半带滤波器( h a l fb a n d ) “”。半带滤波器 其频率响日k ，) 应满足以下关系。 2 嚣一c 6 。= 6 。= 6 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中，m 。为通带上限频率，够为阻带下限频率，正为通带误差容 限，讳为阻带误差容限。半带滤波器的阻带宽度仿一缈。) 、通带宽度啤 是相等的，且通带阻带纹波相等。半带滤波器的冲激响应厅b ) 除了零点 不为零外，在其余偶数点全为0 ，所以采用半带滤波器实现内插后的低 通滤波时，只需要不到一半的计算量，特别适合于实时信号处理。设计 2 “倍数字内插滤波器时，采用n 组半带滤波器级联的方式实现。这样 可以得到两方面的益处：一是滤波器的滤波系数长度得到了减小，使内 插过程对处理器字长的要求有较大程度下降。另一方面是每一级滤波器 在滤波过程中都有一半的系数为0 ，从而使n 组级联方式下2 ”倍内插滤 波器的运算量以指数方式下降。 从半带滤波器的频率响应中可以得到以下关系式 日f p 归l = l 日f e j l ”州l( 3 5 ) 、， 、， 日( p 朋) = o 5 ( 3 6 ) 荆= 器 栉= 0 玎= 2 4 1 9 ( 3 7 ) l i 2 0 。| 2 图3 7 半带滤波器 第一级滤波器后的各组滤波器输入数据流速率不断上升，最终达到 所要求的f ，所以，是不断变化的。 2 c i c 滤波器 内插c i c 滤波器由p 级级联梳状滤波器、m 倍上采样及p 级级联积 分滤波器依次级联而成”1 。在硬件实现时不需要存储滤波器系数，也 不需要乘法器，其结构简单，运算高效，适用于高速应用场合。其中级 联p 阶梳状滤波器和级联p 阶积分滤波器的传递函数分别为 以g ) = ( 1 _ _ z - i ) p ( 3 8 ) 吼) = ( 专) 。， 这两者之r j 数据有一个内插或抽取的过程。从内插后高采样率的一 边看过去，由多抽样率信号处理理论可得两者级联后传递函数和频率响 应分别为 阱( 苷 ( 3 1 0 ) - c , c ( e h 搿e x 巾竿) c i c 滤波器是具有线性相位特点的低通滤波器，并且在某些镜像频 率点上幅度响应为0 ，起到了对内插后的镜像的自然抑制作用。 一阶c i c 滤波器的旁瓣衰减只有1 3 d b 左右，不能满足通信要求。 一般都采用4 级c i c 滤波器级联。 3 3 数字域正交混频技术 传统的混频方式大多是采用模拟信号和本振信号混频形成中频已 调信号。模拟域正交混频方法需要用移相器产生相互正交的本振信号， 而移相器的精度很难做的很高，这样两个本振信号的相位差就不是准确 的9 0 。，混频后便会产生多余的混频分量，形成虚假相位信号，这是j 下 交混频产生相位不平衡现象的根本原因。同样，若输入信号的幅度有稍 许偏差，还会使混频输出的两路信号幅度也不一致。这两者产生的误差 对后续处理都会带来不利影响。解决的办法之一就是采用数字域正交混 频。 数字域证交混频与模拟域混频相比，数字域币交混频的两个本振序 列的相位证交性只受数字域表示数据的字长位数限制“”，正交性可以 完全得到保证。模拟域的两路基带分量相位不平衡的现象，在数字域中 基本不存在。数字混频过程就是输入数据与本振的相乘运算，在数字域 实现时精度非常高。而且数字域混频线性度好，输出没有模拟混频中因 为混频器的非线性而产生的谐波分量。因而，数字域正交混频形成中频 信号的应用越来越广。 实现数字域币交混频的关键是产生正交的余弦信号。在数字上变频 技术的发展中数字频率合成方法( d d s ) 是近年来迅速发展的一种新的 频率合成方法。 1 d d s 技术 频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度都很高的参考信 号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精度的大量离散频 率的过程。d d s 是一种全数字化的频率合成技术，由相位累加器、波形 r o m 、d a 转换器和低通滤波器构成。d d s 技术“”是以参考信号源的固 定时钟作为取样信号对所求频率信号进行相位取样的，因此合成信号的 稳定度由参考源的稳定度决定，可以输出一个高稳定度的信号。d d s 的 频率牵引范围很宽。1 ，理论上是没有限制的，这一点是p l l 频率合成 器无法办到的。由于d d s 是一个全数字结构的开环系统，没有反馈环节， 所以频率合成的转换时间极短，特别适合高要求高速转换频率的场合。 另外d d s 的频率步进可以做到很小。d d s 的全数字化结构便于集成，输 出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，使它具备多种数字调制 能力，如相位调制、频率调制、幅度调制以及i q 正交调制等，完全可 以采用数字调制方式代替模拟调制方式。 目前，d d s 的工作频率越来越高，已经达到几百兆甚至i g h z 以上， 用它直接输出几十兆的射频信号已经成为现实。 2 1 2 d d s 基本原理 d d s 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。d d s 的 结构有很多种，其基本的电路原理如图3 8 所示。 幽3 8d d s 原理图 相位累加器由n 位加法器与n 位累加寄存器级联构成。每来一个时钟 脉冲疋，加法器将频率控制字k 与累加寄存器输出的累加相位数据相加， 把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在 上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以 使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相 位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可 以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次， 相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就 是d d s 输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器( r o m ) 的相位取样地址， 这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值( 二进制编码) 经查找表 查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送至u d a 转换器，d a 转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式 信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正 弦波信号。 利用d d s 技术实现q p s k 调制原理如图3 9 所示。对接收的数据每2 b i t 一组进行差分编码，根据d d s 的相位字，对应的信息码在同步脉冲作用 下，根据差分编码的数据查找相应的相位字并填入相位寄存器中。 数据比特d 1 得到相应相位数 数据比特d 3 d 2 得到相心相位数 数据比特d 5 d 4 得到相心相位数 数据比特d 7 d 6 得到相心相位数 相位字 输1 1 相位字 输m 相位7 输j i ； 相位7 输小 i 玺1 3 9d d s 实现q p s k 调制的原理 标志位加i 返回 标占位加1 返刷 标忐位加1 返h 标，占位加1 返h 3 d d s 优点 d d s 输出频率相对带宽较宽，频率转换时间短，频率分辨率极高， 相位变化连续，证交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了 传统频率合成技术能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能 1 2 5 】 o 由于d d s 中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体 积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极 高。 第四章数字上变频方案设计 数字上变频器主要是对输入的数字信号进行各种调制和频率变换， 即在数字域内实现调制和混频。在比较了各种芯片的杂散性能和频率分 辨率，工作频率等性能参数的基础上，本设计选用了通用正交数字上变 频器a d 9 8 5 7 。数字j 下交上变频器a d 9 8 5 7 是美国a d 公司新近推出的一 种功能强大的高性能通用正交数字上变频器，内部集成半带滤波器、c i c 滤波器、反s i n c 滤波器、高速的数模转换器，其核心是一个相位连续 的直接数字频率合成器d d s 。a d 9 8 5 7 的主要技术特征包括：最高为 2 0 0 m h z 的内部时钟速度，并且集成了带锁定指示器的4 2 0 倍的时钟 倍频，可以提供高精度的系统时钟：1 4 b 的数据通道；8 0 d b 窄带无杂散 信号动态范围；4 种可编程、引脚可选的信号模式；单引脚节电功能； 具有f s k 调制功能；反s i n c 功能，在d a c 变换之l ；i 恢复出理想的信号 包络；3 2 b 的d d s ；8 b 的输出增益控制；i o m h z 串口，2 线或3 线s p i 兼容；3 v 电源工作。为了减小干扰，a d 9 8 5 7 的输出频率要小于系统时 钟的4 0 ，a d 9 8 5 7 的最高工作频率可高达2 0 0 m h z ，输出的最高频率为 8 0 m h z ”，满足本设计7 0 m h z 中频载波输出的设计要求。另外a d 9 8 5 7 集 成了1 4 位高性能的d a c ，a d 公司称之为完整的“d d s ”方案“1 ，这样 可以提高数字通信系统的集成度和稳定度。 基带数字信号处理