（通信与信息系统专业论文）基于fpga的dmr转发台中频模块的实现.pdf

煳嬲。 摘要 为了满足中低端专业及商业用户对移动通信的需要，欧洲电信标准协会( e t s l l 于2 0 0 5 年4 月提出新型数字专用无线通信系统d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 。d m r 采用4 f s k 调制方式，t d m a 双时隙结构，其频谱效率高，结构简单，且支持多 种业务，有着广阔的发展前景。t d m a 系统对频率调制解调的线性度、稳定性和 反应时间都有很高的要求，而在以往的d m r 转发台方案中采用射频端实现频率调 制和解调，其中射频端的晶振和l c 滤波器等器件反应时间较长，鉴频器的稳定性 和线性度不足等，往往会制约d m r 系统的性能。而本文提出了一种改进的d m r 数字转发台方案，采用f p g a 实现中频模块。 本文首先介绍了d m r 通信协议的基本内容，并对中频模块的关键技术与算法 进行了一定的分析，包括多速率数字信号处理，数字滤波器设计等，对其中的平 方根升余弦滚降滤波器进行了m a t l a b 仿真。并介绍了本项目所采用的软硬件平台： a l t e r a 公司的q u a r t u s i i 软件和c y c l o n ei i 系列e p 2 c 5 0 f 4 8 4 1 8 芯片。 其次，给出了基带信号处理模块的设计与实现，其中，着重研究了基于分布 式算法的滤波器实现，对d a 算法进行改进，提升运行速度。并通过m o d e l s i m 仿 真工具对该模块进行了系统仿真。 随后，本文给出了上下变频模块的设计与实现，对半带滤波器，积分梳状滤 波器，以及数控振荡器的设计进行了一定的研究分析。讨论了c i c 滤波器的溢出 处理与“剪除”理论，同时对对查表法与c o r d i c 算法进行了对比分析，最终选 择采用c o r d i c 算法来实现数控振荡器。同样，通过m o d e l s i m 仿真工具对该模块 进行了系统仿真。 最后，在转发台电路板上对上述两个模块进行了加载配置与板级验证。 关键词：d m r 中频上变频下变频f p g a a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h en e e d so fp r o f e s s i o n a la n db u s i n e s su s e r s ，d m r ( d i g i t a l m o b i l er a d i o ) i sd e v e l o p e db yt h ee u r o p et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e ( e t s i ) i n2 0 0 5a sag l o b a lo p e ns t a n d a r df o rd i g i t a lt h i n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m e m p l o y i n g4 f s k m o d u l a t i o na n dt d m a2 - s l o ts t r u c t u r e ，d m rh a sh i g hs p e c t r a l e f f i c i e n c ya n ds i m p l ei m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r e a l lt h e s ea d v a n t a g e se n s u r ed m r h a s b r o a dp r o s p e c t so fd e v e l o p m e n t t d m aa r eh i g hd e m a n d sf o rl i n e a r i t y , s t a b i l i t ya n d r e s p o n s et i m eo ff r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n w h i l ei n t h ep r e v i o u sp r o g r a mo fd m r r e p e a t e rs t a t i o n ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o na r ep e r f o r m e di nt h er fm o d u l e ，i nw h i c ht h ec r y s t a lo s c i l l a t o ra n dl c f i l t e rd e v i c e sh a v eal o n g e rr e a c t i o nt i m e ，a n dt h ef r e q u e n c yd i s c r i m i n a t o rl a c k l i n e a r i t ya n ds t a b i l i t y a l lt h ef a c t so f t e nl i m i tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed m rs y s t e m t h i sp a p e rp r o p o s e dam o d i f i e dp r o g r a mf o rt h ed m r r e p e a t e rs t a t i o n ，u s i n g f p g af o rs i g n a lf i l t e r i n ga n dd u c d d c c o m p a r i n gw i t ht h ef o r m e rp r o g r a m ，t h i s p r o g r a mc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo f t h es i g n a la n dt h ep e r f o r m a n c eo fd u p l e x c o m m u n i c a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e so fd m r s t a n d a r d sa n db a s i c p r i n c i p l e so f i fs i g n a lp r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gm u l t i r a t ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， d i g i t a lf i l t e rd e s i g n t h e n ，am a t l a bs i m u l a t i o nf o rt h ec o s i n er o l l o f ff i l t e ri sc a r r i e d o u t ，a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mu s e di nt h i sp r o j e c ta r ei n t r o d u c e d ：a l t e r a c o r p o r a t i o nq u a r t u s l is o f t w a r ea n dc y c l o n ei ie p 2 c 5 0 f 4 8 4 1 8c h i p s e c o n d l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e a r eb r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c hf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no ff i l t e r s b a s e do nd i s t r i b u t e da l g o r i t h m s ，a n di m p r o v e i n gt h ed aa l g o r i t h mb ye n h a n c e t h eo p e r a t i o ns p e e d t h e nt h i sm o d u l ei ss i m u l a t e db ym o d e l s i m t h i r d l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fu p d o w nc o n v e r s i o nm o d u l ea r e s t u d i e d ，i n c l u d i n gh a l f - b a n df i l t e r , i n t e g r a t o rc o m b f i l t e ra n dn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d o s c i l l a t o r t h eo v e r f l o wa n dt h e ”c u to f f t h e o r yo fc i cf i l t e ra r ed i s c u s s e d a c o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt h el o o k u pt a b l ea n dc o r d i ca l g o r i t h ma r ec a r r i e do u t ，a n d t h ec o r d i c a l g o r i t h mi st h ef i n a lc h o i c et or e a l i z et h en u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d o s c i l l a t o r t h i sm o d u l ei sa l s os i m u l a t e db ym o d e l s i m f i n a l l y , t h ep r o g r a m m i n ga n db o a r d - l e v e lv e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do u ta sw e l l k e y v o r d ：伪瓜i f j cd d c 黝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字集群通信系统发展概述 数字无线通信系统可以分为两大类：数字公用无线通信系统和数字专用无线 通信系统。而本文主要讨论的数字集群通信系统则是数字专用无线通信系统的一 种高级发展阶段。 数字集群通信系统与模拟集群相比，能提供多样化的服务：除了语音外，还 包括文字、图像、数据等。同时，数字集群通信系统采用了话音插空、数字信号 处理技术以及多址技术。主要的优势在于频谱利用率高、抗干扰、易纠错、便于 编码、加密、保密性好等。 m o t o r o l a 于1 9 9 3 年推出m i r s ，并在m i r s 基础上推出集成化数字增值网络 ( i d e n ) 。i d e n 是世界上最早的数字集群系统。同期，e t s i ( 欧洲通信标准协会) 也针对专业无线用户的需求，设计、制订了t e t r a 系统，后改为陆上集群无线电 ( t e r r e s t r i a lt n m k e dr a d i o ) 。该系统在传统大区制调度通信基础上，大量吸收数字 蜂窝通信系统的特点，采用小区复用蜂窝结构，提高了网络覆盖能力。i d e n 和 t e t r a 系统是两种典型的数字集群系统标准。 我国原信息产业部于2 0 0 0 年1 2 月2 8 日发布了我国的数字集群通信系统体 制电子行业推荐性标准，确定了两种数字集群移动通信体制，即i d e n 标准和 t e t r a 标准。同期，国内的各大公司都在开始研发具备自主知识产品的数字集群 系统，其中中兴基于c d m a 技术的g o t a 系统及华为提出的基于g s m 的g t s 0 0 系统于2 0 0 4 年通过了专家鉴定委员会的审核，成为我国推荐的数字集群移动通信 标准。如此，目前我国现有数字集群标准有四个：欧洲的t e t r a ，美国的i d e n ，以 及我国中兴和华为公司的g o t a 和g t s 0 0 t 。 1 2i ) m r 通信协议介绍 在数字专用无线通信系统发展的催化作用下，欧洲电信标准协会( e t s i ) 于2 0 0 5 年提出新型数字专用无线通信系统d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 并在2 0 0 7 年得到 完善。d m r 采用4 f s k 调制方式，t d m a 双时隙结构，其频谱效率高，结构简单， 2基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 且支持从直通模式到集群通信的多层次应用。e t s i 发布的d m r 标准包含了四个 协议文件e t s it s1 0 23 6 11 4 ，描述了一个可升级的数字移动无线系统的空中接 口，覆盖以下三个阶段的产品： 阶段一为直通模式：无个体业务鉴权，为没有获得许可证的个人对讲机业务。 阶段二为转发模式：提供需个体业务鉴权的d m r 系统服务，为专业应用市场 提供直通或转发模式的通信。 阶段三为集群通信模式：实现可自动管理通信的d m r 专用无线通信系统。 d m r 与之前介绍的t e t r a 系统和i d e n 系统相比具有技术简单，成本较 低的优点，并且支持从模拟到数字的过渡。在d m r 标准发布后，一些国际领先的 无线设备生产商联合签署了d m r 开发备忘录，后又成立了d m r 协会( d m r a s s o c i a t i o n ) 。该协会成立后致力于将d m r 标准应用提升至新的水平。2 0 11 年3 月，d m r 协会宣布在米兰进行的高级d m r 兼容性测试获得成功。目前，已经有 数家无线设备生产商宣布成功的开发d m r 系统，并在世界各地有成功的应用案 例。 1 3 课题来源及研究意义 本课题来源于西安电子科技大学信息科学研究所与某通信公司合作开发的 d m r 数字对讲机项目。在开发d m r 数字对讲机的基础上开发其转发台。本项目 包括硬件平台和电路的构建与设计和其相应软件的开发。硬件主要分为射频和中 频模块两部分，软件则分为高层的控制模块和底层的基带处理模块。 在以往的转发台方案中，由射频部分接收信号，并将其下变频为基带信号， 送入基带板。基带板负责a d 转换、解调、解帧，分离出基带信号中的语音数据 和信令，根据信令内容做高层协议处理，确定语音数据的转发方向并将语音数据 转送入另一通道进行组帧、调制以及d a 转换，最后送入射频部分上变频，在相 应的频率上发射出去。信号的流向如图1 1 所示： 第一章绪论3 图1 1 信号流向图 在该方案中，由于模拟射频模块的晶振和l c 滤波器等器件的反应时间较长， 鉴频器的稳定性和线性度不足，往往不能满足t d m a 的要求，所以信号质量不佳。 而本文提出了一种改良的d m r 数字转发台方案，采用f p g a 实现中频模块， 对信号进行基带信号处理和数字上下变频。 1 4 本文的主要内容安排 本文主要内容如下： 第一章介绍了数字集群通信系统发展及研究背景、意义、项目来源和主要研 究内容。 第二章介绍了d m r 中频处理的关键技术并对其算法进行了一定分析。 第三章介绍了d m r 数字转发台基带模块的硬件设计，着重介绍了分布式算法 的设计与实现。 咚。 第四章介绍了d m r 数字转发台上下变频模块的设计与实现，着重介绍了半带 滤波器与c i c 滤波器以及n c o 的设计与实现。 第五章介绍了板级验证的实现方式与流程。 第六章总结了本文的工作，并指出了存在的问题以及进一步的研究方向。 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析 5 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析 2 1 1d m r 协议栈 2 1d m r 通信协议概述 d m r 标准所定义的三层结构模型【2 】如图2 1 所示： 睥叫粹制信簟 ! ： 虹1 e - b j 牡 。oi j 上1 i h “* 日i jh n l h j 钶数摆q k 备 r 数据包业务 、r + 第三层 呼叫控制层 数据链路层 i 第二层 i 物理层 i 第一层 图2 1 d m r 的三层结构模型 协议栈的第一层为物理层。它要处理在物理媒介上传输比特流：包含调制和 解调、发送和接收的转换、射频、比特和符号的定义、同步、突发的形成等。 协议栈的第二层为数据链路层，它的主要任务是处理逻辑连接并使物理层对 于上层是透明的。数据链路层被分成控制面和用户面，控制面主要进行信令控制， 而用户面主要传输数据流。该层包含以下功能：信道编码；媒质接入控制和信道 管理；确认和重传机制；组帧和帧同步；突发和参数定义；数据承载业务：链路 寻址；话音应用( 编解码数据) 与物理层的接口；与呼叫控制层进行的信令与用 户数据的交换等。 协议栈的第三层为呼叫控制层。它只适用于用户面，主要进行呼叫控制，向 上提供d m r 的各种业务。主要实现包括b s 激活去激活，呼叫建立、保持和终止， 单呼和组呼的发送与接收，目的地寻址( d m ri d 或者合适的网关) ，通知传输控 制和数据传输控制等功能。 6基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 2 1 2d m r 帧结构 d m r 协议采用的是双时隙时分多址结构，每一帧规定为6 0 m s ，它又分为两 个时隙，每个时隙长3 0 m s ，突发的持续时间是一个时隙。如图2 2 所示【3 】： 保护间隔同步 转发台 上行 语音超帧 2l2l 2l2l2l212 臀口口口口口口口口口口口口口 aub 心，d ef tdma突发tdma帧 3 0 m s 6 0 m $ 时间 图2 2d m r 时隙结构图 d m r 协议中定义了两种突发类型，包括语音突发和一般的数据突发，这两种 突发包括用户数据和嵌入协议数据单元的信令。突发结构包含两个1 0 8 比特的有 效负荷域和一个4 8 比特同步或信令域。常规突发持续时间3 0 m s ，其中2 7 5 m s 用 于2 6 4 比特有效信息。余下的2 5 m s 是保护时间，分成左右两边各1 2 5 m s 。 语音帧一般格式如图2 3 所示，d m r 系统中定义的语音帧具体分为两种：一 种是承载嵌入式信令的语音帧格式，另一种是承载同步信令的语音帧格式。每帧 承载的语音信息为2 16 b i t ，分别在帧的两边，4 8 b i t 同步码和嵌入式信令均填充在 帧格式的中间。d m r 协议中的语音编码速率为3 6 k b s ，则每个突发的语音部分可 以承载6 0 m s 的压缩语音信息。 同步或 语音( 1 0 8 e 特) 嵌入式信令 语音( 1 0 8 比特) 图2 3 语音帧的一般格式 对于数据帧的一般格式如图2 4 所示，其中的1 9 6 b i t 信息可以是各种信令。不 同的信令，协议中规定了不同的编码方式，分布在帧格式的两边。帧格式的中间 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析 7 是4 8 比特的同步码或嵌入式信令，以及用于确定数据和时隙类型的两个1 0 比特 信息域，其中时隙类型定义区分了各种信令的含义。 色码数据类型 f e c 校验 f e c 校骏 ，。-，7 一、，。， 蚤五 同步域 拿要 数据( 9 8 1 ：1 ：特) 数据( 9 8 比特) 粼垫 餐芑 嵌入式俯令 墨鎏 j ，一 = 一 图2 4 数据帧的一股格式 语音信息在d m r 系统中以超帧格式传输，如图2 5 所示。而控制信令和数据 是没有超帧结构的。d m r 协议规定一个超帧包含6 个突发，这6 个突发用字母“a 到“f ”标识。每次语音开始之前，也就是突发a 之前会有一个语音帧头( l ch e a d e r ) 区别传输信息的类别并标志语音的开始，它的中间含有一段语音类型的同步信息 域。在语音信息传输过程中，完整的t d m a 超帧以3 6 0 m s 的周期不断重复，若发 送结束时的语音长度无法构成一个超帧结构，将会延长语音长度，直到组成完整 的超帧进行传输。发送语音结束帧。 圈圈国回国园圈国围 abc d efa 、弘妞艘毯! d 峨三圣鲤强 1 1 图2 5 语音超帧结构 在信息码到达数据链路控制层后，首先进行信道编码然后将同步码插入帧的 中心位置产生帧超帧。d m r 系统当中，是通过不同的帧同步码组来区分语音、数 据或控制信息【引。 而在收端可以使用一个匹配滤波器来完成同步的初始化，使用匹配滤波器的 输出初始化信号恢复参数来补偿频偏，并确定突发中心。一旦收端被同步到一个 信道上，便可以使用模式匹配来检测同步的存在，通过它来判断信道是否依旧存 8基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 在，然后根据同步的类型识别突发的内容。 2 1 3d m r 转发台结构介绍 d m r 发展的第二阶段为转发模式：在直通或基站转发模式中，提供需个体业 务鉴权的d m r 系统服务，为专业应用市场提供直通或转发模式的通信。在d m r 协议【3 】里详细定义了转发台的功能：在发送的时隙内，由一个端机将信号以固定的 频率发射出来；在接收时隙内，则由转发台在相同的频率上接收信号，对信号进 行处理。当系统确定需要将信号转发到另一个端机时，在发送时隙内，由转发台 将信号以另一个频率将数据发送出去：在接收时隙内，则由目标端机在转发台的 发射的频率上接收信号。 本文提出的d m r 数字转发台方案，其数据处理的具体流程如下： 在接收端：转发台的射频模块接收端机发送的语音信号，经过混频和滤波后， 通过模数转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号，并送入下变频模块。下变 频模块需要对接收到的信号进行正交解调，再通过下变频等处理输出基带信号， 随后在基带模块中，经匹配滤波、同步和反映射恢复出原始的二进制码，并送入 d s p 。在d s p 内对数据进行拆帧处理，得出其中的每一帧数据。分离其中的语音 数据和信令，根据信令内容做高层协议处理，确定语音数据的转发方向。 在发送端，d s p 确定语音数据的转发方向后将语音数据转送入另一通道的d s p 模块内进行组帧。然后在f p g a 内对这一帧数据进行映射、成形滤波，生成四电 平基带信号，完成后再对数据做上变频处理，在数模转换器中将生成的数字中频 信号转换为模拟中频信号，送给射频前端，射频前端通过混频和滤波在相应的频 率上把信号发射出去。 其中，各组件的功能如下：由f p g a 芯片实现基带信号处理与上下变频。由 d s p 来实现数据的同步、转发台的定时和数据的解帧组帧。由a r m 芯片实现对 d m r 的高层协议进行处理和与p s t n 网的通信。转发台的结构如图2 6 所示： 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析9 电源系统 ：甬：昔1 _ 坦1 【一一 1 r 、 d 弛k 1 r 、 f p g aid s p 除令r f 厂 厂叫 a r m r f 1卜 d 融k ，1 卜、 f p g a g 剖d s p 险令 几 广1 r 。 。、 r 通道2 时钟系统 图2 6 转发台结构框图 2 1 4d m r 系统的同步与定时 d m r 系统的同步方式有帧同步和位同步。在数字通信中，信息流是用若干个 码元组成一个个帧。当接收这些数字信息时，知道这些帧的起始与终止时刻是必 须的，否则接收端将无法正确恢复这些信息。在发送端提供每帧的起止标记，而 在接收端检测并获取这一标志的过程，称为帧同步。接收时还需要知道每个码元 的起始与终止时刻，以便在恰当的时刻进行抽样判决。这就要求接收端必须提供 一个位定时脉冲序列，该序列的重复频率与码元速率相同，相位与最佳抽样判决 时刻一致，提取这种定时脉冲序列的过程即称为位同步。 。 实现帧同步通常采用的方法有起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法。 而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法，另一种为间隔式插瓜， 法1 4 j 。d m r 系统采用连贯式插入法进行帧同步，又称为集中插入法。它是指在每 信息群中集中插入作为帧同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现， 即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。接收端按照帧的周期连续数次 检测该特殊码组，这样便可获得帧同步信息。连贯插入法的关键是寻找实现帧同 步的特殊码组。对帧同步码的要求包括：具有尖锐单峰特性的自相关函数、漏同 步概率小；便于与信息码区别、假同步概率小；码长适当，以保证传输效率。 d m r 系统对采用的帧同步码组有严格的规定：帧同步码组插入在帧的中心位 置，并且对于输入输出语音，数据或控制信息，由不同的帧同步码组来区分。具 体帧同步码组如表2 1 所示p j 。根据d m r 协议规定的映射规则将语音和数据的同 步码进行映射，得到的2 4 个符号均为+ 3 或3 ，并且语音同步码与数据同步码的极 性相反，因此帧同步相关器为语音模式提供一个正的结果，为数据模式提供相等 但为负的结果，通过识别相关器的输出极性即可判断出传输的是语音突发还是数 据突发。 1 0 基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 一_ - _ - - _ _ _ _ _ - - l - _ _ _ - _ _ _ - - _ _ 一 表2 1 帧同步码组模型 卜种 + 太 75 5fd7d f 7 5 f 7 语音 0 1 0 1 0 1 0 11 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 111 0 1 ”1 10 1 1 10 1 0 11 1 1 0 1 1 1 0 1 1 羲鬈 十六 d ff57 d75d f5d 1 1 们 1 1 1 1 1 1 1 10 1 0 1 0 1 1 11 1 0 10 1 1 1 0 1 0 11 1 0 11 0 1 0 11 1 0 1 上行 + 六 7f7d5 dd5 7o f d 语音 0 1 1 1 1 1 10 1 1 11 1 0 10 1 0 11 1 0 111 0 10 1 0 10 1 1 1 1 1 0 1 1 11 1 0 1 敦鼍 十六 d5 d7f77 fd75 7 1 1 0 0 1 0 11 1 0 1c 1 1 11 1 1 1 0 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 10 1 1 10 1 0 1 0 1 1 1 l c 同步 十六 7 7d55f 7d f d 77 0 1 0 1 1 11 1 0 10 1 0 10 1 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 0 1 11 1 1 0 10 1 1 0 1 1 1 促翟图莺衽墨 + 六 dd 7ff5 d75 7dd 死建雾 c 1 1 11 1 1 1 ”1 1 0 1 0 11 1 0 10 1 ”1 0 10 11 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 ”0 11 e 1 诗叠保留同步横壁为终来使用 在d m r 的直通模式下，前向路径定时作为反向信道定时的参考基准。一旦源 移动台停止传输，另一个移动台将发送消息异步并且建立一个新的独立的定时参 考。 图2 7 出了直通模式业务的定时框图例子【3 1 。在这个例子中，移动台在前向信 道上传输，该信道是t d m a 物理信道中的一个。 糙催亘且且豆。豆且j i i d i r e c tm o d et i m i n g 图2 7 直通模式定时 时分双工的定时关系如图2 8 【3 1 ，在这个例子中，移动台m s 在入境( i n b o u n d ) 信n 2 _ j 2 传输语音在出境( o u t b o u n d ) 信道2 上侦听语音。 0 珏l 绝删l貔缝鼎翰do 谰搿m d 0 u 渤删o u t b o u n d 锄尬锐删 o 让缓b c ) u n d 由自口国口国口囡口囡口固口国 l n b a 蹴班删喇 l 嘞菹嚣硒 l 哺蝴6 | 嚏：貔落话 l n b 。d 嗽，a 矗 t h 曙 t d dv o i c et i m i n g 图2 8 t d d 语音定时 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析 1 1 2 2 数字上下变频的原理概述 在d m r 转发台的中频模块中，f p g a 主要负责基带信号处理与数字上下变频。 数字上下变频是软件无线电的核心技术之一，由于r f 信号频率很高，实现理想的 软件无线电有很大的难度。所以在具体应用当中，常将基带信号上变频( d u c ， d i g i t a lu pc o n v e r t ) 至中频信号，再对其调制。下变频( d d c ，d i g i t a ld o w n c o n v e r t ) 是上变频的逆过程。 2 2 1 数字信号正交变换理论【5 1 任一实信号的频谱都具有共轭对称性，即幅度分量对称，相位分量反对称。 所以，一个实信号只需要它的正频或负频部分就能够完全描述。以正频部分为例， 原信号x ( f ) ，正频部分z ( t ) 。可以得出二者之间的关系： z ( f ) = x ( f ) + x ( f ) 式( 2 1 ) 砸删= 主( f ) = 昙等d f 式协2 ， 其中，日l ( f ) 为x ( ，) 的h i l b e n 变换，是正交变换。所以实信号的正频部分z ( f ) 是一个复信号，它的实部和虚部正交，z ( f ) 的实部称为x ( f ) 的同相分量，虚部称为 x ( ，) 的正交分量。 对于一个实的窄带信号： x ( f ) = a ( t ) c o s o o j + 6 p ( t ) 式( 2 3 ) 则它的正频部分为： z ( f ) = x ( f ) + 归 x ( ，) = 口( ，) p 胞帅。姐 式( 2 - 4 ) 日 x o ) 】= 口( ，) s 血【啤f + 9 0 ) 】 式( 2 - 5 ) 将其下变频，乘以e - 脚，得基带信号乙( f ) 乞( f ) = 口( f ) p 刖= 口( f ) c o s 妒o ) + 弘( f ) s i n q , ( t ) = ，( f ) + q ( f ) 式( 2 - 6 ) 其d o i ( t ) 希t l9 ( f ) 分别称为基带信号的同相分量和正交分量。基带信号为解析信 1 2 基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 号的复包络，是复信号，但其频谱不具有共扼对称性，所以，基带信号需要正频 或负频部分同时描述。由上分析可得，一个实的窄带信号可以用解析信号z ( f ) 或基 带信号z a t ) 表示。 同时，实际应用中理想的h i l b e r t 变换滤波器难以得到，所以般会采用基带 信号表示实的窄带信号，即将原信号x ( f ) 分别与两个本振信号c o s q t 和s i n c o j 相乘 之后，过低通滤波器就可得到对应的基带信号的同相分量和正交分量。传统的模 拟方式中，会产生虚假信号，这时因为本振信号存在正交误差。而在现代的数字 信号处理当中，采用了数字混频正交技术来进行数字信号的正交基带变换，这样， 可以完全保证两个本振信号的正交性。 2 2 2 数字上下变频原理 上下变频分别是指把信号搬移到更高或者更低的频率上。将原信号o ) 与一 个复旋转向量e j o , 7 相乘得到变频信号x b ( t ) ： x b ( t ) 。艺( f ) 吖 式( 2 7 ) 数字上下变频需要对上式进行采样，当采样周期t 满足采样定理时，数字上 变频和数字下变频就可以写为： 0 乃= ( 托乃加 式( 2 8 ) 简化记为： 而( 功2 艺( 刀矽掣 式( 2 。9 ) 在实际应用当中，x o ( n ) 一般为实信号，可推导出： 0 ) = x o ( n ) e o s ( o 吃n ) + j x 口( n ) s i n ( c o 。n ) 式( 2 - 1 0 ) 经过低通滤波后得到的就是基带信号的正交分解信号，( 功c o s ( q 刀) 为同相 分量，艺( 刀) s 咄q 功为正交分量，图2 1 0 是数字下变频的基本原理框图。 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析1 3 c o s ( c o , n ) s i n ( c o , n ) “玎) q ( 疗) 图2 9 数字下变频的基本原理框图 对于上变频来说，基带信号吃( 功一般为复信号，表示为：艺( 功= ，( 功+ g 功， 通常上变频后的信号只需要取其实数部分就足够了，即： ( ) = r e x 。( n ) e 脾”】 = l ( n ) c o s ( c o 。n ) 一q ( n ) s i n ( c o 。n ) 由上式可得上变频的原理框图如图2 1 0 ： c o s ( c o 。n ) 图2 1 0 数字上变频的原理框图 从数字上下变频原理可以看出，上变频其实是下变频的一个反过程。 2 3 调频信号的调制解调算法 调制与解调各种通信系统的重要基础。调制的作用是将不能直接作为传输信 号的数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号，用基带信号去控制载波 信号的某个或几个参量的变化，形成己调信号进行传输；而解调是调制的反过程， 即在接收端从已调信号中恢复出基带信号。d m r 系统规定的调制方式是4 f s k 调 1 4 基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 制，它是频率调制的一种，下面对调频信号的正交调制与正交解调的算法进行简 单介绍。 2 3 1 正交调制算法 调频为角度调制的一种，是一种载波频率按照调制信号改变的调制方式。它 的幅值是一个常数，瞬时频偏( f ) 则随调制信号m ( t ) 而线性变化，满足： 掣= k 聊( f ) ，其中巧为频偏常数。由上可得，调频信号表达式为： 踯剐c 。s 2 矾吗卜，刁 其中，a 为载波幅度，正为载波频率，巧为频偏常数，r e ( t ) 为调制信号。 产生调频信号的主要方法有两种：分别是直接法和i 司接法。直接法调频是用 调制信号r e ( t ) 直接控制振荡器的频率使其按照调制信号的规律线性变化。在以往 的方案当中采用的是直接法，调制解调都在在射频模块完成。而本文采用的是正 交调制算法，它是间接法调频的一种实现方式。把式( 2 1 2 ) 展开并化简得： 踯，= 彳c 。s q 矾小2 冗。卜研 一4s ；n q 砍咖洒( 2 冗_ 了m 国 = a c o s ( 2 n f c t ) c o s - a s i n ( 2 a f c t ) s i n o 式( 2 1 3 ) = a e o s ( 2 n f c t ) l o ) 一as i n ( 2 n f c f ) q o ) 其中= 2 z c k ，卜( f ) 出。可见，在实现调频信号的模拟正交调制时要先对调 制信号进行积分，然后对积分后得到的信号分别取正弦和余弦即可得到i ( t ) 与q ( t ) 。 对式( 2 1 3 ) 离散化，并通过复化求积处理之后，则有： 毗) 刊c o s 陋螂喜盟掣l 加“) 其中采样间隔瓦2 系赢。对式( 2 - 1 4 ) 三角展开后可以得： 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析 1 5 s ( - r s ) 础。慨玎瓦) c 。s 啦瓦窆堂尝竽幽l 墙i n ( 2 n f c 刀五) s i n f 码瓦窆型丝竽型l ：彳c 。s ( 2 n f c ，五) c 。丁2 ，嘭瓦主所( f t s ) - a s i n ( 2 n f 。刀五) s i n f 2 列。五窆所( ，瓦) = a c o s ( 2 矾力瓦p o 瓦) 一彳s i n ( 2 矾刀疋超b 瓦) 式( 2 1 5 ) 由l z 述分析n - 7 以得到调频信号的正交调制实现的框图如图2 】1 【6 】： 图2 1 1 正交调制框图 根据奈奎斯特抽样定理，采样频率石应该大于玩也，其中b 肼为基带信号 的带宽，疋为载波频率。在实际应用中为了保证数模转换的性能，一般要取采样 频率大于或等于四倍的模拟信号频率。因此，在与正交载波相乘前需要对基带数 据进行内插扩展，使得i 基带信号与q 路基带信号在进行正交调制之前可以与载 波信号达到相同的数据速率。 2 3 2 正交解调算法 一般而言，调频信号的解调可以分为两类，即相干解调( c o h e r e n td e t e c t i o n ) 与 非相干解调( n o n c o h e r e n td e t e c t i o n ) 。两者的差别在于需不需要恢复载波相位，需要 恢复载波相位的方法属于相干解调，这是由于收发两端的载波完全一致，有相干 的效果而得名。本文采用的是正交解调，它是相干解调的一种。 设调频信号表达式为： 础。s ( 2 矾啦卜刁 式协 1 6基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 将式( 2 1 6 ) 所示的调频信号与本地正交载波相乘可得i 路信号s ，( ，) 和 q 路信号& o ) ： s ，o ) = s ( f ) c o s ( 2 尢f j ) = 么c 。s i2 a f c t + 2 9 k ，m ( t ) d tl c 。s ( 2 r i f e ，) = 会 c 文4 矾，+ 2 磁，卜c ，刃 + c 。s ( 2 枨，了朋c ，西 s q ( f ) = s o ) s i n ( 2 z o c j ) = 彳c 。s i2 矾h 2 枨m ( t ) d tl s i n ( 2 n f 。，) = 会s i n ( 4 矾，+ 2 斌，t ，z 出 一s ；n ( 2 枨，t 聊c ，渺 对s ，o ) 和o ) 分别进行低通滤波后可得： 删= 詈c 。s ( 2 枨刁 = 罢s i i l ( 狱，弘刁 式( 2 2 0 ) 离散化表达式为( 经过低通滤波和抽取之后，高频分量被去掉，数据 量减少) ： ，。瓦) = 罢c 。s 2 旅，瓦喜聊c ，瓦， q 。b ) = 詈s t n 2 ，厂瓦喜聊c ，马， 对正交与同相分量做反正切运算，得相位： 删= a r c 叫矧礴蚓 然后对相位进行差分运算，得瞬时相位值： 九0 ) = 驴o ) 一驴g 1 ) = 2 ，嘭五确) 将瞬时相位值再除以常系数劢：0 瓦即可得到调制信号聊( ，1 ) 。 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析17 但是，在实际的应用中，九g ) 会出现相位跳变，必须对其进行校正。 由于相位妒g ) 是做反正切运算的结果，而正切函数的周期是7 r ，因此具体 的校正规则如下【6 】： 当九o ) 万2 时，九g ) = 九g ) 一万 式( 2 2 5 ) 当九0 ) d 式( 2 3 5 ) 中：是角频率( 2 矽) ，r 是脉冲周期，a 是滚降因子，c 是万( 1 一a 肌， d 是尼( 1 + a ) 归。 所谓升余弦特性，就是指将h , q 驴) 在一定条件下进行平滑，这种平滑的现象 通常又称为“滚降”，平滑的程度用系数a 来表示。假设滤波器无滚降时的截止频 率为石，滚降部分的截止频率为石，则a = 五石。滚降是指它的频谱过渡特性， 而不是波形的形状。 升余弦滚降滤波器的频率响应和冲激响应如图2 1 8 ，图2 1 9 所示：。 2 4基于f p g a 的d m r 转发台上下变频技术的实现 - - - - - - - - - - a - - o a - - 0 5 。=泌 瓤 j ； 一 、 盯 j j 盯 、 图2 1 8 升余弦频率响应特性 ； a = 0 a = 05 o f l 扩疹 黟 厂 么3 7 彩7 01 02 d 3 0 帕6 j d7 0 图2 1 9 升余弦时域响应 升余弦滤波器的响应特性可以通过一个被称为滚降因子( r o l lo f ff a c t o r ) 的参数来进行调节，该因子由a 来表示，0 口1 。 在a - - 0 的情况下，频率响应局限于1 2 f o 。 当a = 1 ，频率响应局限为 。 当a 在0 和1 之间时，频率响应被局限在1 2 f o 和厶之间 厶为采样频率。 而在实际应用中，可以使用平方根升余弦滚降滤波器来代替升余弦滚降滤波 器，收端也采用同样的滤波器作为匹配滤波器。平方根升余弦滚降滤波器频率响 应如下： 1 8 6 4 2 0 2 4 ， 蛇 。 舱 第二章d m r 中频模块关键技术及算法分析2 5 坼( ) = 峨( 厂) = 扫丽= 0s - d 由式( 2 3 6 ) 可以推导出平方根升余弦滚降滤波器的时域表达式： h ( t ) = 器c o s 即圳】+ 蒜c 。s 即训】 式( 2 - 3 7 ) 从平方根升余弦滚降滤波器的时域表达式中可以看出，该滤波器为一f i r 滤 波器，它的阶数无穷大，且系数对称。所以需要对它进行截断处理。采用前文所 说的f i r 滤波