（通信与信息系统专业论文）fhds软件无线电数传电台中π4dqpsk调制解调技术的研究.pdf

摘要 摘要 本课题是某f h d s 软件无线电数传电台中的一部分，本文在已实现的几种抗干 扰模式的基础上，研究了冗雄d q p s k 调制解调技术。水d q p s k 是一种线型数字 调制技术，具有频谱利用率高，频谱特性好，抗干扰性强。保密性能好，可用非相干解 调等突出特点。在移动通信，卫星通信中得到了广泛应用。 本文首先介绍调制、解调的基本原理和各个组成模块的设计实现，如：成形 滤波器，中频解扩、解调，位同步。其次完成了扩频调制、解扩、解调算法的m a t l a b 仿真设计，在此基础上，采用d l 硬件描述语言在) 【i l i i 公司的i s e 6 1 开发环 境下设计实现各种抗干扰模式的调制解扩解调及相应的模块，通过了时序仿真， 实现正确解扩解调。该方案的解扩解调算法采用中频带通采样，数字匹配滤波器 解扩，延时差分解调技术直接在中频上完成了数字信号处理，相对于经典做法节 省了下交频，伪码同步捕获和载波提取电路。该方案相对实现较为简单，具有一 定的新意和实用价值。最后，该方案在该项目通用的软件无线电硬件平台上实现 了预期的功能。测试结果验证了程序的正确性，表明该方案是正确的，可行的。 关键诃：软件无线电。芤，4 - d q p s k ，升余弦滤波器，数字匹配滤波器 a b s l r a c t a b s t r a c t 1 1 1 c a i m o f t h i sm e s i s i s t o i m p l 锄e n ta l l d i 幽lm o d e mo f 矾。彘e t 础删l y c o d e dq l l a d 腿l i l r ep h a s h i f k 咖g ( 兀4 _ d q p s k ) ，b 豁e d s o m em o d e s 幢c h b e l o n g s t oa p a r to f m e 聊d s 脚撇r a d i od a t a r a d i o 矾一d q p s k m 础a 吐o n i 3a l i m 龃蛐l o 鳜w b i c hp o s s 嚣s e s 锄t u r 鼯o fh i g hs p e 咖ml n i l i z a t i 硼o ，b e t t 盯 s p l 烛恤s p i 丘谢吗s 呦g 柚吐- j a m m i n ga _ b i l i t y 缸dg o o d 鼢谢劬t h em o d 锄 m e t h o dh 鹊b 嘲锄p l o y e di nm o b i l ec o m m 讧n i 谢o n 趼蜘a n ds a t e l l i t c c 0 仰m l l n i c a ：c i o ns y s c e 】 n t h ep a p 盯丘r s t l yi n t r o d u c e st l 把瑚| t i o n a l eo faf p g a - b 鹊e d 梢d q p s km o d e m a n dd e s i g n & r e a l i z a t i o no f c hm o d m e ，g u c 血觞p 1 1 1 s h 印i n g 丘腧；d e s p r e a d i n ga n d d e m o d u l a t i o n 琨b i ts y 】1 c l 哟玎i z a t i o n s e c o n d l y 棚l t l l o rh 勰d 0 a l g o r i t h m s 咖l a t i o n 谳m a n a b b 勰e d t l l i s ，l m d 盯t l 璩i s e 6 1o f ) ( i l i n ) 【c o m p a n y v j r yh i g h s p di n t e g r a t e dc i l c u i th a d w a d e s 嘶埘o ni 棚g i 埝g e ( 、，h d l ) h 鹪b e e na d o p t i 甜矗” d e s i g n i | 1 9 a n d i m p l 锄e 删【n ge v e 巧m o “l e a 曲r v i l l gt i 工n i n g 如u l a 缸o n p r o 乎a m m e c a ni m p l 锄e n t r i g h tm o d 鼬， d 锄o d l d a ：t i o n t h i ss c b 锄e a d o p t s i 1 1 t e 肋e d i a t e 五t q 唧c ys a m p l i n 舀 d i g i 乜dm a t c h e d 矗l t e i i n g ，d e l a y d i 妇衙e 硝a l d 睨n o d l l l a t i o nt c c l l n i q l 坨sa n ds oo 也nd i r e c t l y p r o c e 黯t h ed i g i t a ls i g n a l s o n i n t e r m e d i a t c 丘e q u e n c y 晰t l l o l i td o w n - c o n v e r s i o n ，缸dd o e s n tn e e dp s e u d om d o m c o d e ss y n c h r o i l i 盟d o n 锄dc a i r i 盯w a v e 出a c t i o nc i 托u i t s ，c c 衄p a r e dw i mc l 船s i c m e t h o d t h i s 靼h 锄ei sd m 鞠m e r i z e db yi t ss i m p l i c i 魄e 够yi m p l 睨圳班洲o n v e l i d e 鹊姐dp 豫c l i c a lv 山e t h i r d l y 1 h es c h 础k 塔b e e ni m p l 锄钯do nt h em l i v e 撂a l s o f tr a d i op l a 怕mt 0m e c t 也e8 c h 蒯e d 喇毗t e 咖g 坞s u n i d a t e st h a lm c p r o g m m i sr i g b t ，锄dd 锄o m t 蹦b 嚣m a tt b i ss c h e m ei sc 讲i e c t 姐df e 笛i b l e k e y w o r d s ：s o f t w a r a d i o ，们- d q p s kr a i s e dc o s m 丘1 t d i 舀t a lm a t c h e d 丘血g 图目录 图目录 图1 1 理想软件无线电结构2 图l - 2 宽带中频带通采样的软件无线电结构3 图2 1 一个直接序列扩频的例子6 图2 2 伪随机码的相关函数和伪随机码的频谱7 图2 3 基带数据的频谱图和复合序列的频谱7 图2 4 卅4 d q p s k 调制原理。7 图2 5 相位及其转换关系9 图2 - 6 等效调制流程图9 图2 - 7 采取相对相移映射的调制流程图1 0 图2 8 卅4 d q p s k 仿真图l l 图2 9 4 d q p s k 星座图和星座转换图1 1 图2 1 0 基带差分解调流程图1 2 图2 1 l 中频差分检测流程图1 4 图2 1 2 鉴频器检测流程图1 4 图2 1 3 4 d q p s k 相干解调器框图1 5 图2 1 4 数字锁相环基本原理框图1 6 图2 1 5 整流型数字锁相环1 7 图2 1 6 整流型数字锁相环波形1 7 图2 1 7 数字式滤波器1 8 图2 1 8 数字匹配滤波器的直接型的结构1 9 图2 1 9 先解调后解扩流程框图1 9 图2 - 2 0 解扩解调流程图2 0 图2 2 1 经过匹配滤波器后得到的相关峰2 3 图2 2 2 延时相乘后的结果2 3 图2 2 3 低通滤波后的结果2 4 图2 - 2 4 ，0 和g ，q 2 最终合并和的值2 4 图3 1 扩频的v h d l 仿真波形2 6 图3 - 2 滤波成型波形。2 7 图3 - 3f p o a 内各模块关系图2 8 图3 - 4i 路匹配滤波器原理图2 9 图3 5o 路匹配滤波器原理图2 9 图3 6 匹配滤波器的横截型结构。2 9 图3 7 匹配滤波器的转置结构。3 0 图3 8 解扩仿真波形图3 0 图3 9 延迟单元综合图。3 1 图3 1 0 解差分仿真波形图3 1 v 图目录 图3 1 1 解调仿真图3 1 图3 1 2 同步仿真图3 2 图3 1 3 系统综合图3 3 图3 1 4 系统结构图3 4 图3 1 5 测试模型图3 5 图3 1 6s d i 渔m 控制器系统级框图3 6 图3 1 7s d i 认m 控制器内部模块框图3 6 图3 1 8 控制接口模块的框图3 7 图3 1 9 命令模块的框图3 8 图3 2 0 数据通路模块的框图j 3 9 图3 2 l 配置时序图4 0 图3 2 2c p l d 与f p g a 、d s p 的连接关系图。4 0 图3 2 3 状态机的流程图4 l 图3 2 4 配置数据生成流程图4 2 图3 2 5d s p 编程的流程图4 4 图3 2 6d s p 配置流程图4 6 图4 1 系统总体框图4 8 图4 2 解调解扩原理框图。4 9 图5 1 整个系统的实物图5 4 图5 2 整个系统实物的细节5 4 图5 3 调制解调模块的实物。5 5 图5 - 4 控制台5 5 图5 5d s ，q p s k 的星座图，眼图，频谱图。5 6 图5 6d s ，8 p s k 的星座图、眼图、频谱图5 6 图5 7d s 4 d q p s k 的星座图，眼图5 7 图5 8d s 衫4 d q p s k 无干扰时的频谱图。5 7 图5 9d s 矾d ( 2 p s k 在无干扰时解调出来的相关峰值。5 8 图5 1 0d 掣z 4d ( f s k 在干扰与信号功率比为7 5 6 d b 时的频谱图5 8 图5 1 1d s ，矾d q p s k 在干扰与信号功率比为7 5 6 d b 时解调出来的相关峰值 5 9 图5 1 2d s 4d i s k 在干扰与信号功率比为1 7 5 6 d b 时解调出来的相关峰值 ，5 9 图5 1 3 发送与接收的信号对比6 0 表目录 表目录 表2 - 1 4 d q p s k 的相位跳变规则8 表2 2 巧4d 1 2 瞅绝对相位映射关系l o 表3 1s d i 认m 控制器输入输出信号说明3 6 缩略词表 缩略词表 d sd 沁吐s e q l 坞n c es p r e a ds p e c t r l i m直接序列扩频 z c z z e r oc 0 n _ e l a t i o nz 0 n e 零相关区 l c zl 0 wc 0 玎e l a t i o nz o n e 低相关区 q p s kq l 】a d r 曲】r ep h a s h i f tk e y m g四进制相移键控 独创性声明 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。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 力m 7 年。臼侈日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。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关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：磋兰垄导师签 日期： 第一章绪论 l 。l 课题的研究背景 第一章绪论 随着现代电子对抗与反对抗技术的发展，军事电子信息系统已成为现代化战 争的主要武器系统。空军、海航、陆航各型飞机的军事信息系统的战斗能力，是 现代信息战争胜负的诸因素中的关键要素之一。现代空地一体化战争，不仅对机 型的要求越来越高，更重要的是对空地、空空、海空通信、指挥、控制提出更高 要求。通信控制的即时( 快速) ，保密、有效、可靠性显得更为重要。现代电子战 及国际形势的发展要求我军装备现代化信息系统。为此，研制新一代智能化数字 无线通信电台亦势在必行。 军用通信装备系列多、品种杂、互通差、协同难，显然在这种状况下是很难 适应未来陆、海、空三军，空地一体化的立体战争。为了解决这个问题，各国军 方进行了积极的探索，努力使通信设备既能满足互通的要求，又能满足抗干扰和 保密的要求。美国人j o e m i t o l a 于1 9 9 2 年5 月首次提出了“s o f h a r er a d i o ”的概 念，即“软件无线电”，其基本思想是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。如调制解调、数据处理、通信协议等用软件来定义并 实现，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代软件无线电台【l j 。 软件无线电台的开发研制表征着无线通信的发展，实现了从硬件到软件的飞 跃。采用基于同一卜硬件平台安装不同的软件模块来完成不同模式的通信功能的 设计思想，满足了未来高新技术条件下立体化战争对通信系统的要求。软件无线 电提供一种通用的无线电硬件平台，使得既保持无线电台硬件结构的模块化，通 用化、小型化，同时又能使不同电台之间互相兼容，这是我们今天要研究的课题。 1 2 课题关键技术 本课题涉及到两个关键的技术，分别是软件无线电技术、扩频通信技术。 1 2 1 软件无线电技术 软件无线电的核心思想是将宽带a d 和d ，a 转换器尽可能地靠近射频天线， 电子科技大学硕士学位论文 尽早完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。 这样就把无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来，而无线通信产品 的价值将越来越多地体现在软件上。这种思想代表了当今通信发展的主流方向， 在军用和民用领域都有着广阔的发展前景。 电话 图象 数据 传真 图1 1 理想软件无线电结构 理想的软件无线电的结构如图l - l 所示【2 1 ，主要由天线、射频前端、宽带 a d d a 转换器，通用和专用数字处理器以及各种软件组成。 射频前端在发射时要完成上变频、滤波和功率放大等任务，接收时实现滤波。 放大和下变频等功能。在射频变换部分，宽带、线性和高频功率放大器的设计和 电磁兼容问题的处理是比较困难的。如果接收端采用射频直接数字化方式，射频 前端的功能可以迸一步简化，但对数字处理的要求提高。要实现射频直接带通采 样，要求a 仍转换器有足够的工作带宽( 2 g h z 以上) ，较高的采样率( 一般在 6 0 0 瑚z 以上) ，而且要有较高的d 转换位数，以提高动态范围。 模拟信号进行数字化后的处理任务，全部由数字信号处理软件承担，通常把 a d 转换来的信号，经过专用数字信号处理器件处理，降低数据流速率，并把信 号变至基带后，再把数据送给通用数字信号处理器进行处理。通用数字信号处理 器主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，例如信号的调制解调，各种 抗于扰、抗衰落和自适应均衡算法的实现等。还要完成经信源编码后的前向纠错 帧调整、比特填充和链路加密等算法。由于d s p 技术和器件的发展，高速、超高 速的数字处理器的不断涌现，如1 m s 3 2 0 c 6 x 、1 m s 3 2 0 c 5 5 x 和a d s p 2 1 1 6 0 等， d s p 已能基本满足软件无线电的需要。如果采用多芯片并行处理的方法，其处理 能力还能大大提高【3 】。 按照对射频模拟信号的采样方式不同，软件无线电也相应的有三种结构：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【9 1 。本项目采用的是宽带中频带通采样软件无线电结构。 2 第一章绪论 图1 _ 2 宽带中频带通采样的软件无线电结构 宽带中频带通采样软件无线电结构如图1 2 所示。这种结构与常规的超外差 无线电台收发信机是类似的，但两者的本质区别是中频带宽不一样，常规电台的 中频带宽为窄带结构，丽图1 2 所示的软件无线电的中频带宽为宽帮结构。由于 中频带宽宽不仅使前端电路( 如本振，频率合成器等) 设计得以简化，信号经过 接收通道后的失真也较小，而且与常规窄带超外差电台相比，这种宽带中频结构 再配以数字化处理，可具有更好的波形适应性，信号带宽适应性以及可扩展性。 所以图1 _ 2 所示的这种宽带中频带通采样软件无线电，从结构形式上看似乎与常 规窄带超外差电台没有多大区别，但这种软件无线电从性能上将会有质的飞跃， 是窄带通信系统所无法达到的【4 】【卯。 由图l _ 2 所示的组成结构可以看出，这种软件无线电的射频前端( a 仍前、 d a 后的模拟预处理电路) 比较复杂，它的主要功能是把射频信号变换为适合于 a 仍采样的宽带中频信号或把d a 输出的宽带中频信号变换为射频。通过相对复 杂的射频前端把高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信号后，使 后续的d 采样数字化大大减轻了负担。与前面两种软件无线电结构相比，此结 构不仅不需要第一种结构所要求的超高速采样，也不需要第二种结构所要求的高 精度、高工作带宽所要求的采样保持放大器，使得a 仍的设计大大简化，这是射 频前端复杂性所带来的好处。在a ，d 器件无法满足要求的情况下，增加一点复杂 性是值得的，况且这种宽带射频前端与窄带超外差前端相比，相对要简单一些， 无疑是近期软件无线电一种较可行的设计方梨6 j 。 1 2 2 扩频通信技术 扩展频谱技术是指用某个特定的扩频码来扩展传输信息的频谱，使其成为宽 频带信号，然后送入信道中传输，接收时再利用相应的本地扩频码进行解扩，从 而获取传输信息的通信技术阴。在传输同样的信息时，扩频信号的带宽远大于常规 调制方式的信号带宽。常用的扩频码有相关性能良好的m 序列、m 序列、g o l d 码， 混沌序列和在零相位附近有良好相关性能的l c z 序列，z c z 序列等。扩频通信技 电子科技大学硕士学位论文 术在军事通信和民用通信中都得到了广泛的应用。 扩频通信技术主要有直接序列扩频( d s - s s ) 、跳频( f h s s ) 和跳时( t s s s ) 这三 种基本形式，由这三种基本形式可以组成各种混合扩频形式，如跳频直扩 ( f h ，d s ) 、跳时跳频( t 肿玛和跳时直扩( t h ，d s ) 。本课题主要研究直接序列扩频 和跳扩混合( 跳频+ 直接序列扩频) 这两种模式。 1 3 项目及课题研究的背景 从2 0 0 5 年5 月至2 0 0 7 年3 月，作者先后参与了某公司的两个超短波电台功 能样机的研制项目。一个是与厂合作的“多频段、多模式机载数字超短波电台”， 以下简称“项目一”；另一个是某单位某项目的“软件无线电数传火控数传电台”， 以下简称“项目二”。 这两个电台都是以软件无线电技术为基础，采用了扩频技术具有d s d b p s k 、 d s 仍q p s k 、d s d 8 p s k 等多种抗干扰模式，能够以半双工或全双工的方式进行语 音通信、数据传输和图像传输。目前该项目二已经通过初期验收。本人在两项目 中所做的工作见下节。 1 3 1 本人在两个项目中的主要研究工作 本人主要从事电台中基于软件无线电的扩频调制及懈扩、解调的研究及实现， 主要工作内容包括以下几个方面： ( 1 ) 参与项目一第三版功能样机的调制解调器模块中部分代码的编写工作。 ( 2 ) 参与项目一第三版功能样机的调制解调器模块的硬件调试工作。 ( 3 ) 参与项目二的方案的研究和设计，以及调制解调算法的分析和仿真。 ( 4 ) 参与项目二的调制解调模块中d s p 、f p g a 和c p l d 的软件代码的编写。 ( 5 ) 完成项目二的调制解调器模块的单板硬件调试，及系统联调工作。 ( 6 ) 在完成两个项目调制、解扩、解调模块的算法，仿真，硬件实现的基础上， 在m a t l a b 上完成了d s ，r 4 一d q 雎k 的调制解调算法的分析与仿真，并 完成傩，4 一d q 挪w 的f p g a 的v h d l 的实现。 4 第二章d s ，4d q p s k 的调制解扩解调原理算法及仿真 第二章d s 兀4 d q p s k 的调制解扩解调原理算法及仿真 d s ，叫4 d q p s k 是对q p s k 信号的特性进行改进的一种调制方式，它将q p s k 的最大相位跳变士万降为3 石4 ，从而使得信号在经过滤波后的包络起伏和非线性 放大所产生的频谱失真显著减小，由此改善了叫4 d q p s k 的频谱特性嗍。相对于 q p s k 只能用相干解调来说，叫4 d q p s k 既可以采用相干解调也可以采用非相干 解调，而且它的相干检测性能与q p s k 相同，因而它特别适合于进行差分检测的 移动卫星通信。目前，叫4 d q p s k 已用于美国的数字蜂窝系统，日本的个人数字 蜂窝系统口d c ) 和美国的个人接入通信系统a c s ) 中。此外。它对进行突发操作的 t d m a 卫星通信系统也颇具吸引力。 d s 丌4 d q p s k 的调制相对较简单，目前已有较成熟的方法，多采用正交平 衡调制的方法，即将d s 兀4 d q p s k 调制转换成m a s k 调制来实现。 d s 冗4 d q p s k 的接收端的处理比较复杂，大致可以分为解扩和解调两个步 骤来实现。d s 丌4 d q p s k 的解扩多采用数字匹配滤波器，利用相关运算来解扩( 去 掉伪随机码) 。d s ，兀4 d q p s k 的解调有相干解调和非相干解调这两个基本形式， 相干解调需要提取载波，实现比较复杂。本项目采用的是非相干解调，即延时差 分解调的方法，不需要进行载波恢复，能够实现快速同步，满足军事通信中突发 通信和无线静默的应用。而按照解调解扩的先后次序又可分为先解调后解扩和先 解扩后解调两种形式。本文采用的是先解扩后解调的方式。 2 1 直接序列扩频 2 1 1 相关函数【9 】 设两个长度为的复数序列口和6 ，非周期相关函数e 。0 ) 定义为 e 6 ( f ) = 一l f q 6 瑚 一l + f 口。 ，- o o f 一l 一1 f o ( 2 1 ) | f | 电子科技大学硕士学位论文 周期相关函数r 。( r ) 定义为 一1 疋。( f ) = q n ， f z ( 2 - 2 ) 扛0 式中，+ 表示共扼复数，下标中加法运算是模 ，运算，z 为整数集合。 当口6 时，e 。( r ) 和乜。( r ) 分别被称为非周期互相关函数和周期相关函数； 当口= 6 时，e 。( f ) 和兄。( f ) 分别被称为非周期自相关函数和周期自相关函数，简 写为c 。( f ) 和r 。( f ) 。 非周期相关函数乞。( f ) 和周期相关函数r 。( 力有如下关系式 r 。，6 ( m + f ) = c 。，6 ( f ) + c 。6 ( f 一) 肌z ，o f ( 2 3 ) 同时，周期相关函数又被称为偶相关函数。序列的周期奇相关函数被定义为 矗。，6 ( w + f ) = 巳j ( ) 一g ( 一) 历z o r ( 2 - 4 ) 直接序列扩频是用高速伪随机码与低速基带数据进行异或，得到高速率的复 合序列。当基带数据为l 时，对应的复合序列为伪随机码的反码：当基带数据 为o 肘，对应的复合序列为伪随机码的本身。图2 1 是一个直接序列扩频的例 子。 o i ( 1 ) 基带数据 r 一 loiolil0ololooollo oltl1oo ( 劲伪琏机码 几厂nr 厂 厂 lo1ollloolo1lll0ollooo0ll ( 3 ) 复合序列 图2 - l 一个直接序列扩频的例子 图2 2 是伪随机码的相关函数，频谱和基带数据的频谱。伪随机码与基带数 据在时域进行异或( 波形相乘) ，在频域则为频率卷积【1 0 1 ，卷积的结果如图2 3 所 示。 设伪随机码为以 ，则扩频后的复合序列纯 的表达式为 晶= 啪6 m o d ( 2 5 ) 式中，【j 表示向下取整运算，为伪随机码的长度，m o d 表示对进行求模运 算，即求余数。 6 第二章d sa ，4d q p s k 的调制解扩解调原理算法及仿真 图2 - 2 伪随机码的相关函数和伪随机码的频谱 图2 3 基带数据的频谱图和复合序列的频谱 2 2 叫4 d q p s k 调制解调原理 2 2 1 调制原理 叫4 d q p s k 调制器的原理框图如图2 - 4 所示，输入数据经串并，变换之后得到 的同相通道i 和正交通道q 的两种非归零脉冲序列s 和通过差分相位编码， 使得在螺f ( 七+ 1 ) 瓦时间内，i 通道的信号以和q 通道的信号k 发生相应的变 化，再分别进行正交调制以后合成为叫4 d q p s k 信号1 2 ”1 3 1 。( 这里c 是墨和 的码宽，z = 2 瓦) 设已调信号 图2 4 4 d q p s k 调制原理 墨= c o s ( 皱f 十吼) 已调信号 式中，最为惦f ( 七+ 1 ) 瓦之间的附加相位上式可展开成 7 ( 2 - 6 ) 电子科技大学硕士学位论文 墨( ，) = c o s q ，c o s 幺一s i n q ，s i n 幺 ( 2 7 ) 当前码元的附加相位b 是前一码元附加相位吼一，与当前码元相位跳变量b 之和，即 屏= 见一l + b( 2 8 ) u 七= c o s 包= c o s ( 钆+ b ) = c o s 岛一】c o s 幺一咖吼一l 咖以 ( 2 - 9 ) 圪= s i n 幺= s i n ( 岛- l + 嚷) = s i n b i c o s 皖+ c o s 嚷一ls i n 吼( 2 - 1 0 ) 其中，s i n 岛一l = 吃- 1 ，c o s 岛一i = 以- l ，上面两式可改写为 巩= 【0 lc o s 6 i 一is i i l 嚷( 2 一1 1 ) 吒= k 1 c o s 幺+ 以qs i n 皖( 2 1 2 ) 以上两式是衫4 d q p s k 的一个基本关系式。它们表明了前一码元两正交信号 以+ 圪一。与当前两正交信号矾，k 之间的关系。它们取决于当前码元的相位跳变量 嚷，而当前码元的相位跳变量b 则又取决于差分相位编码器的输入码组s 和 晶，他们的关系如表2 - l 所规定。 表2 一i 4 d q p s k 的相位跳变规则 s i 见c o s 见s i i l 皖 1l霄| 4 l 压、| 压 113 万4 一l 压、| 压 11 3 玎4 o | 厄o | 点 11一r | 4 、| 压一1 压 上述规则决定了在码元转换时刻的相位跳变量只有州4 和3 州4 四种取值。 叫4 d q p s k 的相位关系如图2 5 所示。从图中可以看出信号相位跳变必定在图中 的“o ”组和组“”之间跳变。即在相邻码元，只会出现从“o ”组中的相位点 到“”组中的相位点( 或“”组到“o ”组) 跳变，而不会在同组内跳变的情 况。同时可以看到，u 和k 只能有o ，l 2 ，1 五种取值，分别对应于图中八个相 位点的坐标值。 第二章d s ，4d q p s k 的调制解扩解调原理算法及仿真 ：帮 塾1 ) s g ，厄l ，矗 还 辫 甓二，厄- 1 ，泠 f o 一1 l 图2 5 相位及其转换关系 2 2 2 扩频的叫4 d q p s k 调制等效模型 调制流程如图2 6 所示 l 路扩 q 路扩 信号 图2 - 6 等效调制流程图 设扩频后的数据为 = 1 吾l 嘲，( 【旦半j ) i “j l j = 1 别嗍，( 【竺笋j 式中，6 ，c 为基带数据，m 为扩频之后的码片编号。用订，p q 为两路扩频码 序列。调制时，q 两路信息间隔按照以下两星座图进行映射即可，具体的映射关系 如表2 - 2 所示。可以证明该绝对方式的星座映射与衫4 - d q p s k 是等效的。 例如：设，q 的扩频序列分别为p m ，用呸，p q l ，嘲 脚l - ( 0 1 lo ) p q 1 = ( 10 1o ) p 幔= ( 0 0 lo ) 删伤= ( 0 0 0 l ) 假设发送的基带信息码元是o ，则扩频后的序列为： ，路：( 0 0 10 11o o ) q 路：( 1o 0 0 1o o l ) 9 电子科技大学硕士学位论文 最终的映射相位为： ? 3 耳丌耳丌霄3 丌 ( 一了，一i ，i ，i ，一百，万，了，o ，) 相应地按照叫4 d q p s k 相对相移的方式来映射，要得到与上述等效的星座映 射，则相应的映射数据为 ，7 路：( 0 1 0 1 0 0 1 0 ) 路：( 0 0 1 l o o o o ) 则按照相对相移映射关系( 假设初始相位为o ) ，最终得到的映射相位也为： c 一等，一詈，三，至，一扣等，o ，、4 2 4 2 4 ”4 “”一7 通过以上例子可以看出，若要完全按照衫4 d q p s k 相对相移的规定来调制， 只需要在绝对相移映射之前的数据j ，q 与相对相移映射数据，q ，两者之间建立一 映射，其满足( ，q ) b ( ，g ) ，该映射相当于对数据进行一次，q “差分编码”， 其调制流程如图2 7 。 刁i o 图2 - 7 采取相对相移映射的调制流程图 表2 2 州4 毋2 雎k 绝对相位映射关系 已调信号 + 0 00 11 01 1 m 为奇数时相角 3 耳i 2o万耳 2 m 为偶数时相角 3 耳1 45 行| 4冗| 41 耳f 4 s i i i l u l i i 墩仿真图，基带调制信号的星座图及转换图分别如图2 8 ，图2 9 所 l o 第二章d s 4d q p s k 的调制解扩解调原理算法及仿真 图2 8 4d 冲s k 仿真图 图2 - 9 4 d q p s k 星座图和星座转换图 最后调制到中频之后的数据为 品o ) = ，c o s 口十q s i i l 式中，纹是中频载波的角频率。 2 2 3 成形滤波 ( 2 - 1 5 ) 由奈奎斯特第一准则可知，为了使调制信号在经过信道以后产生的码间干扰 尽可能的小，通常在调制端采用成形滤波器对基带调制数据进行处理。实际通信 系统中广泛应用的成形滤波器是升余弦滚降滤波器和平方根升余弦滚降滤波器。 本文使用升余弦滚降滤波器，其时域，频域表达式如式( 2 1 6 ) ，式( 2 - 1 7 ) 所示【1 4 】： ( r ) ：掣焦堕地魁 ( 2 1 6 ) ( 1 一钯2 f 2 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 日( 厂) = o 蔓， 上旦 。 2 z 导，等 ( 2 1 7 ) 2 z 。 2 z 、7 p 等 譬一据 瓯o ) = c o s ( q r + 岛) ， ：五s f 0 判为+ 1 五 o 判为+ 1 五 0 判为一1 获得的结果，再经并串变换之后，即可恢复所传输的数据。 2 2 4 2 中频差分检测 中频差分检测的原理框图如图2 1 1 所示。输入信号经两个支路相乘后的信号 分别为： c o s ( & + 皖) c o s q ( f c ) + 皖一i 】 s i n ( 口+ 毋) c o s 【哝o 一) + b 1 】 经低通滤波之后，所得低频分量为( 国霉= 2 石栉) ： k = 三c o s ( b 一见。) = 圭c o s 吼 ( 2 2 6 ) 电子科技大学硕士学位论文 五= 丢s i i l ( b 一皖一。) = 圭s i n 见 ( 2 2 7 ) 后面得判决过程与基带差分检测完全一样。 图2 - 1 1 中频差分检测流程图 此方案的优点是不用本地产生载波。 2 | 2 4 3 鉴频器检测 鉴频器检测的框图如图2 1 2 所示。信号经过平方根升余弦滚降的带通滤波器 后进入硬限幅器，再经过鉴频器和积分一采样一清除电路之后，用模2 厅监测器测 出两采样瞬间的相位差，从而可判决出所传输的数据。 图2 - 1 2 鉴频器检测沉程图 理想的鉴频器特性为 v o ) ：旦掣 ( 2 - 2 8 ) “l 经过积分和采样后有 ( 1 + 世 嚷=iv o ) 出= 砬一以， ( 2 2 9 ) i 毛 若直接根据见进行判决，就可能出现错判。因此，在差分相位解码前要加入 一个模2 石的校正电路。其校正规则如下： 如果吼 1 8 0 。，则b = b - 3 6 0 9 根据校正后的幺，就可以按照表2 1 判决出输出数据。 可以证明，上述三种解调方式即基带差分检测，中频差分检测和鉴频器检测 是等价的。在基带差分检测中，设计的难点在于本地的振荡器。如果本地的振荡 1 4 第二章d s ，4d q p s k 的调制解扩解调原理算法及仿真 器的频率与信号的载波存在着频差v ，则在一个码元内，将有2 确以的相位漂移。 该相位漂移将引起误比特率性能的恶化。在中频差分检测和鉴频器检测中，设计 的难点在于带通滤波器的设计。带通滤波器特性的不理想，将引起码间串扰，并 且其噪声带宽可能宽于n y q l l i s t 带宽，从而会引起系统性能的恶化。 2 2 4 4 相千检测 由于差分检测和相干检测相比有2 3 d b 的性能恶化所以当需要低误码率的 场合要采用相干检测。图2 1 3 为相干检测州4 d q p s k 解调器框图。其特点是：将 三电平检测转换为两电平检测，即在信号状态处于图2 - 5 中的“”状态集合时， 通过图中电平转换电路换成两电平输出，其中只要保证抽样开关在两电平抽样瞬 间( 对应“o ”状态集合) 接向彳，另一抽样瞬间接向丑酃可。由图中可知，当三 电平抽样瞬间有： 图2 1 3 “厂4d q p s k 相干解调器框图 而2 五一乃 ( 2 3 0 ) 弘2 而+ 乃 可见，矢量( 为，m ) 是由矢量“，乃) 乘2 ，并旋转刀4 而成，从而变成两电平 信号( 由图2 5 状态“”集合变成“o ”状态集合) 。由于此时噪声功率也加倍， 所以这种相干检测的性能与相干q p s k 性能相同。 如果不采用差分编码，那调制信号按表2 1 的关系进行绝对相位调制。为保 证调制输出为可4 d q p s k 信号，调制每隔一次要使调制信号的相位旋转一万4 ( 相 当于从图2 5 “o ”状态变到叫状态) 。而相干检测的结果又使状态的元素旋 转州4 ，所以解调后所恢复的信号的绝对相位便为传输的信息。 如果使用差分编码，那么检测后的信息首先由q p s k 差分译码器译码。其输出 要做如下修正：在当前符号为。”状态而前一个符号为“o ”状态时，将译码输 出旋转一州2 ，即令，= q ，q = ，的补码【l ”。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 数字锁相环原理 在数字通信系统中，为了恢复发送信息，必须对解调输出的连续信号进行周 期性采样，以每个符号宽度为间隔抽样判决一次。因为通信系统中信道的传播延 迟一般是未知的，因此抽样判决的时刻就显得十分重要。位同步主要目的就是从 接收信号中导出符号定时脉冲，从而取得抽样器判决的最佳时刻。直接法( 自同步 法) 和插入导频法( 外同步法) 是两种常用的位同步方法。直接位同步法就是直接从 接收信号中提取位同步信号，常用的方法有滤波法和锁相法。滤波法是对接收信 号进行变换，如微分或包络检波，形成含有位同步脉冲的信号，然后通过一个窄 带滤波器将位同步信号提取出来。本设计采用锁相法来提取位同步信号。 位同步脉冲矗 输入相 图2 1 4 数字锁相环基本原理框图 数字锁相环的基本原理框图如图2 - 1 4 所示，输入相位基准是接收码元经过零 检测( 限幅、微分) 和单稳电路产生的窄脉冲，这些窄脉冲出现的位置精确地位 于接收码元的过零点。没有连l 或连o 码时，窄脉冲的间隔正好是基带码元的周 期r ，但当接收码元中有连码时，窄脉冲的间隔为基带码元周期r 整数倍。由于窄 脉冲的间隔有时为丁，有时为丁的整数倍，因此它不能直接作为位同步信号。 输入相位基准与高稳定振荡器产生的经过整形的以次分频后的相位脉冲进行 比较，由两者相位的超前或滞后，确定扣除或附加一个脉冲，以调整位同步脉冲 的相位：当分频器输出的位同步脉冲超前于接收码元的相位时，相位比较器送出 一超前脉冲，加到扣除门的禁止端，扣除一个脉冲，这样分频器输出的脉冲的相 位就退后了1 栉个周期，若分频器的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位，相位 比较器送出一滞后脉冲，加于附加门，使得在分频器的输入端添加一个脉冲，于 是分频器的输出脉冲的相位就提前了】一个周期。经过这样的反复调整相位，即可 以实现位同步。 接收码元的相位可以从基带信号的过零点提取，而对数字信号进行微分就可 获得过零点的信息。由于数字信号的过零方向有正有负，因此微分再整流，就可 以获得接收码元的所有过零信息。得到接收码元的相位以后，再将它加于相位比 1 6 第二章d s ，4d q p s k 的调制解扩解调原理算法及仿真 较器去进行比较。因为接收码元的相位是通过微分整流而获得，故称这种方法为 微分整流型数字锁相环。其工作原理图，合波形图分别如图2 1 5 。图2 1 6 所示。 设接收信号为不归零脉冲，我们将每个码元的宽度分为两个区，前半码元称 为。滞后区”，即若位同步脉冲波形6 落入此区，表示位同步脉冲的相位滞后于接 收码元的相位；同样，后半码元称为“超前区”。接收码元经过微分整流，并经单 稳4 电路后，输出波形e 所示的脉冲。当位同步脉冲位于超前区时，波形p 和分频 器d 端的输出波形矗使锝与门a 有输出，该输出再经过单稳l 就产生一超前脉冲 厂若位同步脉冲波形6 落后于滞后区，分频器的输出波形如波形c 所示，则与门 b 有输出，再经过单稳2 产生一滞后脉冲g 。这样无论位同步脉冲超前或滞后，都 会分别送出超前或滞后脉冲对加于分频器的脉冲进行扣除或附加，因而达到了相 位调整的目的1 w 。 叶矧兰! ! 卜一 i 回 i 岳 t 鸲 图2 - 1 5 整流型数字锁相环 a b c d e f g 电子科技大学硕士学位论文 同时