（通信与信息系统专业论文）qdpsk信号的数字化生成及解调方法研究.pdf

摘要 软件无线电是近年迅速发展起来的新技术，给无线通信领域带来 了新的格局，并促进了其相关产业的迅速发展。在软件无线电技术中， 数字信号处理，特别是信号的调制解调，占据着重要的地位。软件无 线电中的各种调制解调过程是以一个通用的数字信号处理平台为支 撑，利用各种软件来完成的，并被称为数字化调制解调。q d p s k 信 号克服了绝对相移调制信号解调时存在的相位模糊问题，并具有频带 利用率高，误码率低等优点，已经广泛应用于无线通信中，成为现代 通信中一种十分重要的调制信号方式。q d p s k 信号的数字化调制解 调方法的改进对于软件无线电技术的发展有着重要意义。 本文分析了软件无线电技术及q d p s k 、：, r 4 q d p s k 信号调制 解调基本原理。对于已有的数字调制解调方法的优缺点进行了讨论， 提出了改进的q d p s k 及万，4 q d p s k 信号数字化调制解调方案。在 信号的数字化调制算法中将码元分为稳定区和过渡区，稳定区的波形 直接使用存储的余弦函数样值序列产生，过渡区波形则是通过调用存 储的过渡区参数来实现频率过渡和幅值衰减。新的数字化解调方法， 是通过对码元稳定区的样值进行d f t 计算，获得本码元相对于前一 码元的相位跳变值，进而判决该列码元数据。本文对新的数字化 q d p s k 及n 4 q d p s k 调制解调系统进行了仿真研究，并与原有的 调制解调算法的各项性能参数比较，结果表明，本文所提出的q d p s k 及n 4 。q d p s k 调制解调算法的计算量小，调制信号的高频分量少， 解调误码率较低，性能优于传统的调制解调算法。 关键字软件无线电，q d p s k ，数字化调制解调，仿真 a b s t r a c t s o f t w a r ed e f i n er a d i o ( s d r ) i san e wt e c h o l o g yw h i c hd e v e l o p e d f a s tt l l i sf e wy e a r s a n da c c e l e r a t e dt h ed e v e l o p m e n to fo t h e rr a l e t i v e d o m a i n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ge s p s t i a l l y t h em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o np l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei ns d r s i g n a lm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ni ns d ri sb a s e do nad i g i t a ls i g n a lp r o c e s sp l a t f o r m ，a n d c a l l e dd i g i t i z e dm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n q d p s ks i g n a lh a sb e e n w i d l yu s ei ns i g n a lp r o c e s s ，w h i c hh a sh i g hb a n du t i l i z a t i o nr a t i oa n dl o w b i te r r o rr a t e 1 1 1 e i m p r o v i n go fq d p s ks i g n a l m o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o na r i t h m e t i cm e a n si m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to fs d r t h i sp a p e rs h o w st h ea n a l y s eo fs d ra n dq d p s k 、e 4 一q d p s k m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt h e o r y d i s c u s s e dt h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fe x i s t i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d a ni m p r o v e d q d p s k 、7 4 0 d p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nm e t h o dh a sb e e n g i v e no u t t h i si m p r o v e dm e t h o dd i v i d ee v e r yc o d et os t a b i l i t ya e r aa n d t r a n s i t i o na e r a i nt h es t a b i l i t ya e r a ，s t r a i g h t l yu s et h es t o r e ds a m p l eo f c o s i n ef u n c t i o n i nt h et r a n s i t i o na e r a ，u s et h es t o r e dt r a n s i t i o np a r a m e t e r t o c o m p l e t et h et r a n s i t i o n ，s i g n a ld e m o d u l a t i o n i sb a s eo nd f t c a l c u l a t i o n t h i sn e wq d p s k 、石4 o d p s km o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ns y s t e mi ss i m u l a t e db yu s i n gm a t l a b 。a n dc o m p a r e dw i t h t h eo r i g i n a la r i t h m e t i c s o m ep i c t u r e sa n dc a l c u l a t i o na b o u tt h i sa r eg i v e n i nt h ep a p e r t h er e s u l ts h o w st h a tn e ws y s t e mi nt h i sp a p e ri sm o r e e f f i c i e n c y , r e d u c et h eh i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t ，a n dd e m o d u l a t i o ne r r o r r a t ei sl o w e l0 b v i o u s l yi th a ss t r o n g e rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s s d r , q d p s k ，d i g i t a lm o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ， s i m u l a t i o n l i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：乏圣逛日期：垫1 2 年j 月兰生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：亟虹新签名棒吼丑年血鱼日 硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 软件( 定义) 无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s d r ) 是近年随着微电子 技术的快速进展而发展起来的新技术。它首先诞生于军事通信领域，后来被引入 到个人移动通信，并逐步渗透到其他电子技术领域。1 9 9 2 年5 月，由美国的 m i i 肌t e 公司的j e o m i t o l a 首次提出了软件无线电的概念，并受到各方的极大关 注。作为未来通信技术的发展方向之一，软件无线电正以惊人的速度向前发展。 软件无线电技术的重要价值在于：软硬件无线电设备只是作为无线通信的基本平 台，而主要的通信功能则是由软件来实现，打破了有史以来通信设备的功能的实 现依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出现将是通信领域继固定通信到移 动通信，摸拟通信到数字通信之后第三次革命【l 。2 i 。 软件无线电是指：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台， 将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用 软件来完成。其中的关键在于使a d 和d a 转换器尽可能靠近收发天线，建立 一个具有 a d d s p d a 形式的通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽 量利用软件技术来实现电台的各种功能模块，研制出具有高度灵活性、开放性的 新一代无线通信系统【3 j 。软件无线电的主要研究内容包括：多信道数据交换技术、 高速数字信号处理技术、系统软件设计技术、宽带射频和模块化技术、高速 a d d a 技术、嵌入式开放系统控制技术等等。目前促使软件无线电得以实现的 各种不同技术仍在不断地发展。软件无线电发展的目标是实现具有可以根据无线 电环境变化而自适应地配置收发信机的数据速率，调制、解调方式，信道编、 译码方式，甚至调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化高品质无线通信 系统，并且更加充分地利用频谱资源。 软件无线电的主要特点归纳如下： ( 1 ) 具有很强的灵活性。软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加 新的功能；可以与其它类型电台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继；可 以通过无线电加载来改变软件模块或更新软件；可以根据功能需求，取舍选用的 模块。 ( 2 ) 具有较强的开放性。软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构， 其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升 级。软件无线电不仅能和新体制的通信设备进行通信，还能与旧体制的通信设各 硕七学位论文 第一章绪论 进行兼容，这样，即延长了旧体制通信设备的使用寿命，也保证了软件无线电本 身有很长的生命周期。 ( 3 ) 简化了产品的生产和维护，提高了系统的可靠性。 由于软件无线电所具有的特点，使其不仅在军、民无线通信中获得了应用， 而且将在其他领域例如电子战、雷达、信息化家电等领域得到推广，这将极大促 进软件无线电技术及其相关产业的迅速发展。 在软件无线电中，数字信号处理占据着重要的位置，高速的数字信号处理技 术，是提高通信系统性能中必不可少的部分，而调制解调更是软件无线电技术中 的核心内容。软件无线电中的算法要求有很高的实时性，高度的自由化( 便于升 级) 和开放性( 模块化、标准化) ，其研究的重点在于发展高效的、计算量小的 调制解调算法。为了使软件无线电设备能够对多种信号方式实现兼容( 互通) ， 对各种类型信号的调制解调都需要进行研究。 1 2 研究目的与意义 本课题主要研究中四相相对相移键控信号( q d p s k ) 以及偏移四相相对相 移键控信号( g l 4 一q d p s k ) 的数字化调制、解调方法。q d p s k 信号在频带利 用率和抗干扰性能方面具有较大优势，在实际中得到了广泛的应用。软件无线电 技术是通信技术发展的一个重要方向，而数字信号的调制和解调是软件无线电中 必不可少的组成部分，并且直接决定了系统的性能。软件无线电技术要得到更广 泛的应用，不仅取决于器件性能的提高，也取决于数字化调制和解调方法的改进。 因此本课题的研究内容理论和应用方面都具有明显的意义。本课题采用的 m a t l a b 语言编程对通信系统进行仿真实验，验证其可行性，研究系统的性能 指标，是一种方便、有效的手段，对于软件无线电系统更是如此。 课题研究的目的在于：针对q d p s k 以及石4 一q d p s k 信号提出改进的数字 化调制、解调方法，解决软件仿真技术方面的一些有关问题。 1 3 国内外研究水平与现状 1 3 1 软件无线电的发展 软件无线电把硬件作为无线通信的通用平台，使它尽可能地脱离通信体制、 信号波形和通信功能，尽可能多地由软件来实现，这样的无线通信系统具有很好 的通用性、灵活性，而且系统升级也变得非常容易。软件无线电有这么多的特点 硕士学位论文 第一章绪论 和优越性，使它在通信领域中有极广泛的应用天地。例如在个人移动通信中、军 事通信中、卫星通信中和数字电视中等。 软件无线电作为未来通信的一个发展方向，世界各国都在进行积极的研究， 美国尤为突出。美国军方制定了具体的发展计划，来研制三军通用软件无线电平 台。这个研究工作分为几个阶段实施。第一阶段己于1 9 9 4 年8 月结束，目前正 在进行第二阶段研究工作。在2 0 0 5 年9 月英国伦敦举办的d s e i 展上，帕克空 中系统公司推出了一种新型的v u h f ( 甚超高频) 无线电台。该无线电台采用 软件数字信号处理器结构，可以使用北约多种无线电信号，并且可以采用i c a o ( 国际民间航空组织) 模式进行工作。s d r 技术在移动通信的基站和终端应用 上已有商用产品推出。我国对软件无线电技术也相当重视，例如我国提出的 s c d m a 是一种同步的直接扩频c d m a ( 码分多址) 技术，它结合了智能天线、软 件无线电及话音压缩编码技术等通信新技术。另外，软件无线电技术在第三代移 动通信中的应用也是国家“8 6 3 ”计划的申请项目之一。近年来，a d 、d a 转换、 可编程逻辑器件、存储器以及信号处理器方面的技术取得了长足的进展，产品的 性价比不断提高，这为软件无线电技术从研究领域走向大规模商用提供了前提条 件。软件无线电技术的主要工作是信号处理，d s p 技术的迅速发展使得信号处理 可以由软件来实现，这为无线空中接口的实现提供了高度的灵活性。随着移动和 个人通信市场的发展，用户的需求也日益多样化，现在的第二代通信系统也需要 平滑过渡到第三代系统，这对未来移动系统的灵活性和创新性也提出了更高的要 求。技术和市场的发展，促进了软件无线电在第三代移动通信系统中的应用1 4 】。 在未来的第四代通信中，软件无线电也将会是一个关键技术。 目前有相当多的系统都自称为软件无线电系统，但事实上，它们只是在一定 意义上具有了软件无线电的特点。如何评价一个软件无线电系统的“软件化”程度 呢? 软件无线电概念的提出者j m 的l a 在1 9 9 7 年5 月在欧洲召开的软件无线电 会议中提到一种思路：用一个矢量来表示其“软件化”程度。软件无线电系统中的 软件是否具有可重用性，是否能够应用于多种由不同硬件厂商提供的硬件平台已 经成为其开放性评价的重要因素1 5 l 。可重用性至少可以在两种层次上来完成：软 件的可重用性以及波形的可重用。这些都依赖于定义一套具有标准接口的软件功 能模块。目前国外已经有一些人从事这方面的研究。软件无线电中的硬件平台部 分，国内外有很多人在研究基于总线结构的硬件平台，即把各个功能模块通过总 线连接起来。采用总线式结构的好处是：实现起来比较简单，目前有很多总线的 工业标准可供采用，v m e 总线，p c i 总线，m u l t i b u s ，f u t u r e b u s 等。另外，还有很 多现成的采用上述总线的通用功能模块可供使用。但总线式结构有一些明显的缺 点，主要是由于它采用的是时分机制，而在无线通信系统中各个相邻功能模块间 硕十学位论文第一章绪论 的数据流是一种流水或称接力机制【”1 。而时分机制在这种应用场合中就显得带 宽过窄和控制复杂，这对通信本身实时性的要求来说不是特别合适，同时其可扩 展性也受到限制。 虽然国内外对于软件无线电的研究取得了不少成果，但总体上仍处于初级阶 段。软件无线电的广泛应用还必须克服大量技术上的困难和建立一套完整的体系 结构。相对来说，在微电子和基带数字信号处理等方面的困难要容易克服一些， 而体系结构和高中频信号处理方面的困难要大得多。数字信号处理是软件无线通 信的关键问题，其中处理速度则是技术瓶颈。调制、解调在数字处理运算量中占 有最大的部分，也是最难完成的部分。总的来说数字化调制、解调是软件无线电 中的关键技术之一，算法的改进对软件无线电技术的推广应用具有明显的意义。 1 ，3 2 数字信号处理算法研究现状 在软件无线电中各种调制、信号都是在一个通用的数字信号处理平台上，利 用各种软件来产生和解调的。每一种调制解调都做成软件模块，要产生或解调某 种调制信号只需用相应的模块即可。于是可以通过不断更新调制解调模块的软件 来适应不断发展的信号调制体制。软件无线电的各种调制解调完全可以基于数字 信号处理技术来实现。 软件无线电中调制解调实现的体系结构可分为射频低通采样数字化结构、射 频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构3 种1 9 1 。射频低通采样数 字化软件无线电结构简洁，它将模拟电路数量减少到最低程度。射频带通采样数 字化的软件无线电与低通采样软件无线电结构主要不同是：a d 前采用了带宽 相对较窄的滤波器，再根据所需的处理带宽进行带通采样；与目前的中频数字化 接收机结构类似，宽带中频带通采样数字化软件无线电结构都采用了多次混频体 制，其主要特点是中频带宽更宽，所有调制解调等功能全部由软件实现。目前， 软件无线电中的数字化的手段主要有专用集成电路( a s i c ) 、通用数字信号处理 器( d s p ) ，以及现场可编程门阵列( f p g a ) 。 现代通信系统中，为克服原有调制解调方法的不足，对数字化调制解调方法， 许多研究者提出了新的研究。 ( 1 ) 数字化d p s k 调制解调器。d p s k 调制过程由乘法器完成，它将差分编 码器输出的数据与来自数控振荡器n c o 的载波相乘，输出的是数字化的已调信 号。解调过程中，将信号分成正交两路，进入乘法器模块与数控振荡器n c o 输 出的两路数字化的正交载波相乘，再经过积分滤波，从而产生基带信号，对此信 号进行差分译码判决，实现d p s k 信号的解调功能f l “。 ( 2 ) g m s k 的数字化调制解调。g m s k 调制过程中，利用数字基带波形发 4 硕十学位论文 第一章绪论 生器，用频率路径查表作为相位累加，来实现g m s k 正交调制】。 ( 3 ) 采用全数字方法实现q p s k 调制。该方法仍然是采用数据处理后，成形 滤波的方法，由模拟器件改为数字信号处理算法实现。该调制器具有多项可变参 数，通过其可编程接口设置不同的参数，可适用于2 k 2 m 符号速率范围内的 多速率数据传输，适用于各种信道限带性能要求的传输系统，是一种通用的高性 能全数字调制器1 1 2 1 。 1 3 3 发展中面临的问题 软件无线电具有灵活性、可扩展性等主要特点，这些主要是因为软件无线电 所有功能都是用软件来实现的。数字信号处理器是整个软件无线电的问题中核心 所在。软件无线电技术要得到更广泛的应用，不仅取决于器件性能的提高，也取 决于数字化调制和解调方法的改进。而现今软件无线电中的的数字调制算法多数 仍以传统电路工作原理为基础来实现的，并没有发挥软件无线电的优点，并存在 计算量大的严重缺陷。对d s p 等器件的性能提出了极高的要求，成为s d r 技术 发展和推广应用中的瓶颈因素。 软件无线电中的数字信号调制解调部分在全部数字信号处理工作量中占有 很大比例，并且直接决定了系统的性能。所以研究出效率更高，功能更强的数字 化调制方法将有很大的理论和实际意义。 从目前的资料显示，作者认为在这方面有需进行深入的研究。 1 4 解决方案 q d p s k 和n 4 - q d p s k 是两种在理论和应用上都很重要的信号方式。本文 提出了这两种信号的数字化调制方案。该方案是基于基带信号数字成形原理的分 析而建立的。特点是把码元波形分为过渡区和稳定区，稳定区内的波形直接调用 存贮的余弦波形样值序列来生成。过渡区的波形通过频率过渡和包络衰减来实 现，也是通过调用存贮数据并经过较少计算来产生的。上述调制方法具有计算量 小，波形质量高的特点。 本文还提出了石4 一q d p s k 信号的数字化解调方案。特点是使用每个码元中 7 个载波周期的采样数据进行d f t 计算，求出码元的相对相位和与前一码元的 相位差，进而判决恢复码元数据。该方法不需进行载波同步，计算量较小，抗干 扰性能较好。 文中对上述数字化调制解调方法进行了仿真研究，验证了方法的正确性和性 能。 硕士学何论文 第一章绪论 1 5 论文介绍 本论文首先介绍了软件无线电的发展状况，数字信号调制解调的发展情况。 讨论了原有方法的缺点不足，提出了新的q d p s k 以及n - 4 一q d p s k 信号数字化 调制解调方案，明确了本课题研究的目的和意义。 在第二章中，对新的q d p s k 及；r 4 一q d p s k 的基本原理和基于电路实现的 调制方法进行了研究，提出了两种信号的数字化调制方法。并通过应用m a t l a b 语言进行仿真实验来考察新方法的性能。给出了仿真的程序流程以及实验中的波 形数据、频谱、误码率等。， 第三章将信号数字化调制方案与基于d f t 的z c 4 - q d p s k 信号数字化解调 方案相结合，形成完整的信号调制解调系统。考虑了系统的位同步实现。进行了 m a t l a b 仿真实验。 第四章对与新的数字化调制解调方案实际应用相关的问题，以及新方法在数 字信号处理器( d s p ) 上实现的计算量进行了讨论，同时为了降低传输误码率， 对传输过程中的差错控制编码应用进行了研究。 本文最后对研究工作进行了总结，提出了值得进一步探讨的问题。 6 硕十学位论文 第二章q d p s k 及石4 q d p s k 数字化调制方法研究 第二章o d p s k 及，r 4 - o d p s k 信号数字化调制方法研究 数字信号调制技术中所提到的相对相移键控有着广泛的应用。所谓相对相移 是指本码元的初始相位与前一码元信号相位之差。本章首先对基于电路实现的四 进制相对相移键控信号( q d p s k ) 及偏移相对四相键控信号( x 4 一q d p s k ) 的调制原理进行了分析，然后提出了相应的数字化调制的方法，并对两种信号的 数字化调制方法进行了软件仿真实验，验证了方法的可行性，并研究了调制信号 的各种特性。 2 1基于电路的o d p s k 信号调制方法 在q p s k 数字信号解调中，由于本地参考载波存在0 、x 2 、万、3 2 的模 糊度，因而解调得到的数字信号可能出现错误，这对于数字信号传输来说当然是 不能允许的0 3 1 。克服相位模糊度对于相干解调影响的最常用而有效办法是在调 制器输入的数字信号基带信号中采用差分编码，即q d p s k 信号。常用的四元相 移键控是相对( 差分) 相移键控( q d p s k ) 方式，它是先将信源码序列进行差分编 码变成相对序列后再进行q p s k 调制【1 4 1 。表2 1 用实例说明了两种信号的相位 关系。 表2 - 1q p s k ，q d p s k 信号的相位关系 输入序列 1 01 10 00 l1 l1 00 l 0 0 q p s k 相位 2 7 0 。1 8 0 。0 。9 0 。1 8 0 。2 7 0 。 9 0 。0 。 q d p s k 相位 2 7 0 。9 0 。9 0 。1 8 0 。0 。2 7 0 。 o 。0 。 相对序列 1 0o lo ll l0 01 00 0 0 0 q d p s k 信号可以用调相法和相位选择法产生。调相法是将输入的二进制信 息进行差分后，经过串并变换，变为双比特码流，经极性变换后，将单极性码变 为双极性码，然后与载波相乘，完成d p s k 调制，两路信号叠加后，得到q d p s k 信号。q d p s k 信号不是利用载波相位的绝对数值来传送数字信息，而是用前后 码元的相对相位变化传送码元信息。q d p s k 信号的正交调制方法如图2 - 1 所示。 7 硕十学位论文第二章q d p s k 及万4 一q d p s k 数字化调制方法研究 图2 - 1q d p s k 正交调制器 q d p s k 可以看成由两个b p s k 调制器构成。输入的串行二进制信息序列经 串一并变换，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号 ，( f ) 和烈，) ，然后对c o s 0 ) ，t 和s i n ( a 。t 进行调制，相加后即得到q d p s k 信号。 q d p s k 也可以采用其他方法实现调制。q d p s k 的相位选择法调制。在这种 调制器中，载波发生器产生四种相位的载波，经逻辑选择电路，根据输入信息， 每次选择其中一种作为输出，然后经带通滤波器滤除高频分量。显然这种方法比 较适用于载频较高的场合，此时，带通滤波器可以做的很简单。另一种调制方法 是脉冲插入法。频率为4 倍载频的定时信号，经两级二分频输出。输入信息经串 一并变换逻辑控制电路，产生r d 2 推动脉冲和推动脉冲，在x 2 推动脉冲作用下 第一级二分频多分频一次，相当分频链输出提前r d 2 相位，在推动脉冲作用下 第二级二分频多分频一次，相当于提i j 1 【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 得到以余弦波作载波的q d p s k 信号 1 5 - j t 。 2 2o d p s k 信号的数字化调制方案 如图2 - 1 所示的q d p s k 信号的电路调制方法中，将输入的信号分成两路速 率减半的信号，( f ) 和q ( t ) 后，两路信号( 双极性n r z 码) 中高频分量较多。通常 需要将q ) 和q ( t ) 两路信号分别通过低通滤波器，以减少q d p s k 信号中的高频 分量及有效带宽，使得信号出现稳定区和过渡区。 信号通过滤波器的情况如图2 - 2 所示。 硕七学位论文 第二章q d p s k 及n 4 - q d p s k 数字化调制方法研究 ( a ) 滤波前信号波形 n 厂 uu 7 ( b ) 滤波后信号波形 图2 - 2 通过滤波后信号波形图 然后再分别与c o s 啡f 和s i n 国。t 相乘，进行调制。但由于滤波器的性能有限， 造成调制后信号波形中，过渡区和稳定区难以精确控制，并且在对信号进行滤波 的实现过程中，数据计算量较大，影响了信号调制的速度。 2 2 1o d p s k 数字化调制原理 本文提出了新的q d p s k 信号数字化调制方法，能有效的避免上述问题的出 现，从而更好的掌握信号波形，减少了调制后信号中的高频分量，更有利于信号 接收与解调的实现。本文的数字化调制方法与以往的数字化方法不同，不仅仅是 把需要调制的信号以及载波信号直接进行数字化采样，而是将调制信号用数据表 示，并存储起来，在调制时根据码元直接调用。这样避免了调制过程中受到硬件 限制的情况，易于实现，并且得到更高的调制效率，所以相对与原有的一些方法， 则更有优势。 新的q d p s k 信号数字化调制方法中，将二进制信号进行差分编码后，不通 过低通滤波器，而是根据码元情况，直接调用已存的样值数据来表示稳定区和过 渡区信号波形。这种方法不需要进行信号通过滤波器部分的计算，只是简单的存 取数据，明显减少了调制过程中的计算量。 本方案采用直接调用样值序列的方法，但不再将信号分成两路分别调制，而 是直接将信号差分后，根据每码元情况，调用样值序列。调制原理如图2 - 3 所示。 9 ! i 堂堕堡奎第二二章q d p s k 及厅4 一q d p s k 数字化调制方法研究 二进制 码元 信号 差分 查表产生过 渡波形区 图2 - 3q d p s k 数字化调制原理图 相对于原有的将码元分成两路的调制方法，省去了信号分别与c o s 。，和 s i n c o 。f 相乘，以及两路信号相加的部分的计算，更能节约调制时间，减少调制复 杂程度。 本方案中，每个码元含有l o 个载波周期，每个载波取3 2 个样值。过渡区为 4 个载波周期，共1 2 8 个点，稳定区为6 个载波周期，共1 9 2 个点，每点对应相 位为当，样值序列为c o s 1 6 、c o s 2 z 1 6 、c o s 3 7 r 1 6 、c o s l 5 万1 6 、c o s 2 万。 码元发生相位跳变时，基带信号，( f ) 和q ( f ) 要发生变化，为了尽量减少它们包含 的高频分量，应该选择某种平滑过渡曲线，经过考虑，一个直观有利的选择就是 按余弦函数过渡。过渡区的1 2 8 点按o 。1 8 0 。余弦波过渡，即按c o s 0 一c o s 万形 式过渡，每点对应n 1 2 8 。过渡区波形如图2 - 4 所示。 j 过渡区 l ) t 一1f 、- ，- _ - - 。i _ 。_ ， 图2 - 4q d p s k 数字化调制过渡区原理图 对于码元稳定区，只要把余弦波在一个周期内的3 2 个样值数据c o s ，r 1 6 ， c o s 2 石1 6 ，c o s 3 1 n 1 6 ，c o s 2 # 做成数据表b c ，顺序循环调用1 9 2 次就行 了( 每次调出哪一个数由相位计数器决定的) 。 码元过渡区波形需要考虑频率过渡和包络衰减。作法是：根据码元相位跳变 值，确定过渡区各采样点的包络衰减系数和相位偏移量( 相对码元无相位跳变时 各采样点相位的增量) ；利用b c 表进行插值计算，求出采样点的c o s 值，再乘 以包络衰减系数，得到采样点的值。 l o 硕士学位论文 第二章q d p s k 及z r 4 q d p s k 数字化调制方法研究 2 2 2 构造过渡区波形数据 根据前面所说按o o 1 8 0 。余弦波，即c o s 0 寸c o s 石形式过渡，选择过渡 区的幅值与相位变化样值序列系数，建立c o s 波形参数表b c 一个周波3 2 点， 每点对应的相位为，r 1 6 ，生成码元稳定区波形时只需要调用该表数据。b c - - - - - c o s j r 1 6 ，c o s 2 ，r 1 6 ，c o s 2 z r1 0 1 、 当相位跳变为x 2 时，这时信号矢量及i , q 的变化如2 5 图所示 本码元矢量 前码元矢量 ( a ) 信号矢量变化图 ( b ) i 、q 分量变化图 图2 - 5 信号矢量及i q 分量变化图 过渡区第i 个采样点的i 与q 值表达式如下： = 0 5 + o 5 c o s 三! ，i = 1 ，2 ，1 2 8 ( 2 - 1 2 8 l a )， q = o 弘。小c o s 篡， i = l ，2 ，1 2 8 - b ) 包络衰减值：合矢量的幅值( 即包络衰减系数) ： k i = ( 砰+ 9 2 ) i ( 2 2 ) 包络衰减系数表b r 。= k 1 。，墨：k 。】， 相位偏移量：v 0 , = t g 。1 ( q i ) ， 归一化相位偏移量： 踊。= 孚。 ( 2 - 3 ) 1 6 相位偏移数据表。= v x l l ，v 2 v x i l 2 s 】。 采样值的计算： 口f ；k l ，* c o s ( n o + f + v 墨，) ( 2 - 4 ) 硕+ 学位论文 第二章q d p s k 及万4 一q d p s k 数字化调制方法研究 当码元相位跳变为一i ：i t 时，取- 表不变， b o ，表中取出的数据要加负号。 2 、码元相位跳变为万时，设i ；i 码元的矢量为1 ，后一码元的矢量为一1 ， 分量i 的变化为1 一一l ，q 保持为o ，g i + ；苌f 4 n 1 , = c 。s 篙，i = 1 ， 1 2 8 。衰减数据表为： = c o s ，c o s 去嘶 。 采样值为：a ，= k 2 ，+ c o s ( n + f ) 。 b 。：前一半元素为正值，后一半为负值，中间过零。在过渡区结束后， 把o 改为0 + 1 6 ，以表示取： i ，n n - 半元素的负号。 3 、相位跳变为0 时，信号的波形中没有过渡区，只要用b c 表中的数 据接着前一码元的波形生成余弦波形就可以了。 q d p s k 信号数字化调制过渡区的系数数据如下。 表2 - 2b c 数据表 序号 0 l234567 数据0 9 8 0 80 9 2 3 9o 8 3 1 5 0 7 0 7 l 0 5 5 5 6 0 3 8 2 7o 1 9 5 10 0 0 0 0 序号8 9l ol l1 21 31 41 5 数据- 0 1 9 5 1- 0 3 8 2 7- 0 5 5 5 6- 0 7 0 7 1- 0 8 3 1 5 - 0 9 2 3 9 - 0 9 8 0 8 一1 0 0 0 0 序号1 6 1 71 81 9 2 0 2 l2 22 3 数据- 0 9 8 0 8- 0 9 2 3 9o 8 3 1 50 7 0 7 l- - 0 5 5 5 6 - 0 3 8 2 7 - 0 1 9 5 1 - 0 0 0 0 0 序号2 4 2 52 62 72 82 93 03 1 数据o 1 9 5 l0 3 8 2 70 5 5 5 60 7 0 7 l0 8 3 1 5 0 9 2 3 90 9 8 0 81 0 0 0 0 序号3 2 数据0 9 8 0 8 表2 - 3q d p s k 过渡区系数数据表 序号 l234 567 b f l 0 9 9 9 80 9 9 9 40 9 9 8 60 9 9 7 6 0 9 9 6 20 9 9 4 60 9 9 2 7 b 2 0 9 9 9 70 9 9 8 80 9 9 7 30 9 9 5 2 0 9 9 2 50 9 8 9 20 9 8 5 3 易。 0 0 0 0 8 0 。0 0 3 l 0 0 0 6 90 。0 1 2 30 0 1 9 20 0 2 7 7 0 0 3 7 8 序号 89l o1 l 1 21 31 4 b f l 0 9 9 0 40 9 8 7 90 9 8 5 l 0 9 8 2 10 9 7 8 70 9 7 5 l0 9 7 1 2 b f 2 0 9 8 0 80 9 7 5 70 9 7 0 00 9 6 3 80 9 5 6 90 9 4 9 50 9 4 1 5 见， 0 0 4 9 40 0 6 2 60 0 7 7 50 0 9 3 9o 1 1 2 00 1 3 1 8o 1 5 3 3 硕十学位论文第二章q d p s k 及7 r 4 一q d p s k 数字化调制方法研究 序号 1 51 61 71 81 92 0 2 1 取， 0 9 6 7 10 9 6 2 70 9 5 8 l0 9 5 3 20 9 4 8 l0 9 4 2 8 0 9 3 7 3 取： 0 9 3 3 0 0 9 2 3 90 9 1 4 20 9 0 4 00 8 9 3 20 8 8 1 9 0 8 7 0 1 易。 o 1 7 6 5o 2 0 1 40 2 2 8 l0 2 5 6 6 0 2 8 6 9o _ 3 1 9 10 3 5 3 2 序号2 22 3 2 42 52 62 72 8 巩 o 9 3 1 6 0 9 2 5 7 o 9 1 9 60 9 1 3 40 9 0 7 0o 9 0 0 40 8 9 3 7 取2 0 8 5 7 70 8 4 4 9o 8 3 1 5 o 8 1 7 6 0 8 0 3 2 0 7 8 8 30 7 7 3 0 岛 0 3 8 9 3 0 4 2 7 30 4 6 7 30 5 0 9 40 5 5 3 60 6 0 0 0 0 6 4 8 5 序号 2 93 03 l3 23 33 4 3 5 吼 0 8 8 7 00 8 8 0 10 8 7 3 10 8 6 6 00 8 5 8 9o 8 5 1 8 0 8 4 4 6 比： 0 7 5 7 20 7 4 1 0o 7 2 4 20 7 0 7 10 6 8 9 50 6 7 1 6 0 6 5 3 2 岛， 0 6 9 9 30 7 5 2 30 8 0 7 7 0 8 6 5 40 9 2 5 50 9 8 8 l1 0 5 3 2 序号 3 63 7 3 8 3 94 04 l 4 2 b r l o 8 3 7 40 8 3 0 20 8 2 3 lo 8 1 6 00 8 0 8 90 8 0 1 9 0 7 9 5 l 吼： 0 6 3 “o 6 1 5 20 5 9 5 70 5 7 5 80 5 5 5 60 5 3 5 0o 5 1 4 l 彤 1 1 2 0 81 1 9 1 01 2 6 3 81 3 3 9 21 4 1 7 31 4 9 8 l 1 5 引5 序号4 3 4 4 4 54 6 4 74 84 9 吼。 o 7 8 8 3 0 7 8 1 70 7 7 5 3 0 7 6 9 00 7 6 3 00 7 5 7 l0 7 5 1 5 吼： 0 4 9 2 90 4 7 1 40 4 4 9 60 4 2 7 60 4 0 5 20 3 8 2 7 0 3 5 9 9 毋 1 6 6 7 71 7 5 6 51 8 4 8 l1 9 4 2 32 0 3 9 l2 1 3 8 6 2 2 4 0 6 序号 5 05 15 25 35 4 5 55 6 取。 0 7 4 6 2 0 7 4 1 10 7 3 6 30 7 3 1 8 0 7 2 7 70 7 2 3 90 7 2 0 4 b x 2 0 3 3 6 9 o 3 1 3 7o 2 9 0 30 2 6 6 70 2 4 3 0 0 2 1 9 10 1 9 5 l 易。 2 3 4 5 12 4 5 1 92 5 6 l l2 6 7 2 52 7 8 6 02 9 0 1 53 0 1 8 7 序号 5 75 85 96 06 l6 26 3 b x l o 7 1 7 4o 7 1 4 7o 7 1 2 4o 7 1 0 50 7 0 9 00 7 0 8 0 0 7 0 7 3 b x 2 0 1 7 1 00 1 4 6 70 1 2 2 40 0 9 8 00 0 7 3 60 0 4 9 l0 0 2 4 5 玩， 3 1 3 7 63 2 5 8 03 3 7 9 73 5 0 2 4 3 6 2 6 03 7 5 0 33 8 7 5 0 序号 6 46 56 6 6 7 6 86 9 7 0 b x l 0 7 0 7 10 7 0 7 30 7 0 8 00 7 0 9 00 7 1 0 50 7 1 2 4 0 7 1 4 7 b ( 2 0 0 0 0 0 0 0 2 4 5- 0 0 4 9 l - o 0 7 3 60 0 9 8 0 - 0 1 2 2 44 1 1 4 6 7 岛， 4 0 0 0 04 1 2 5 04 2 4 9 74 3 7 4 04 4 9 7 64 6 2 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