（通信与信息系统专业论文）高速数字调制解调器的设计与实现.pdf

硕上论文高速数，调制解调器的设计1 j 实现 摘要 随着现代科学技术的迅速发展，人们对图像、大容量数据、多媒体等信息的传输速 率要求越来越高，因此研究高速数据传输技术成为迫切需求。高速数字调制解调通常是 指传输速率 1 0 m b p s 的传输技术，它能满足各种通信领域对信号处理的需求，对于实现 雷达信号、高清图像等数据的实时处理和传输有着重要的意义。 本课题主要研究高速数字调制解调器的软硬件设计与实现。文中首先分析了各种调 制技术，重点研究了q d p s k 调制的工作原理。在此基础上，深入研究q d p s k 调制器， 对数据加扰模块、卷积编码模块、差分编码模块、码元映射模块和内插成形滤波模块进 行f p g a 编程设计。文中给出了仿真波形、硬件验证波形和q d p s k 中频调制信号频谱， 结果表明了q d p s k 调制器软件设计的正确性。 当输入数据速率为8 0 m b p s 时，在f p g a 内处理得到q d p s k 调制基带i q 信号， 经正交调制后，送入解调器板，解调输出正确；当输入数据速率为8 m b p s 时，将f p g a 输出的基带信号调制到中频，再输入解调器，当解调器输入信噪比为7 2 d b 时，所测误 码率低于1 0 6 。该调制器软件已验收通过，可交付使用。 本文还设计了高速数字调制解调器的硬件电路。该硬件电路包含大容量f p g a 、 c p c i 数据接口、高速a d 和d a ，可同时实现高速数字调制和解调功能。文中详细分 析了高速a d 及数字下变频模块、高速d a 及中频驱动模块、f p g a 模块和电源模块 的电路，研究了基于c a d e n c e 软件的高速p c b 设计。 关键字：高速调制解调，q d p s k ，f p g a ，c p c i a b s t r a c t 硕上论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a sb r o u g h tt h er e q u i r e m e n t o nt h et r a n s m i s s i o nr a t eo fi m a g e s ，h i g h c a p a c i t yd a t aa n dm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nt oar e c o r d h i g h t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho nh i l g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea n u r g e n td e m a n d h i g hs p e e dm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nr e f e r s t ot h et r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y 、析n lat r a n s m i s s i o nr a t eh i g h e rt h a n10 m b p s t h i sk i n do ft e c h n o l o g yc a nm e e t v a r i o u ss i g n a lp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t si nc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，a n di ti so fg r e a ti m p o r t a n c e i nt h er e a l - t i m ep r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o no ft h er a d a rs i g n a l ，h i g h d e f i n i t i o ni m a g e s ，e t c i nt h i sp a p e r , w em a k ear e s e a r c ho nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i g hs p e e d m o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o r f o c u s i n go nt h eq d p s k m o d u l a t i o n ，a na n a l y s i so fav a r i e t yo f m o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e si sm a d e a f t e ra ni n - d e p t hs t u d yo ft h eq d p s km o d u l a t o r , w eo f f e r ac o m p l e t ef p g ap r o g r a m m i n go ft h ed a t as c r a m b l i n gm o d u l e ，c o n v o l u t i o nc o d i n gm o d u l e ， d i f f e r e n t i a lc o d i n gm o d u l e ，s y m b o lm a p p i n gm o d u l ea n dt h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e rm o d u l e t h e n , t h i sp a p e rg i v e st h es i m u l a t i o nw a v e f o r m s ，h a r d w a r ev e r i f i c a t i o nw a v e f o r m sa n dq d p s k m o d u l a t i o ni fs i g n a ls p e c t r u m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq d p s km o d u l a t o rs o f t w a r ed e s i g n i sc o r r e c ta n dr e l i a b l e t h ep a p e ra l s og i v e st h eh a r d w a r es y s t e mb l o c kd i a g r a mo fh i g hs p e e dd i g i t a lm o d u l a t o r a n dd e m o d u l a t o r t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e sh i g h c a p a c i t yf p g a ，c p c id a t ai n t e r f a c e s ， l l i g hs p e e da da n dd a o nt h eb a s i so fad e t a i l e da n a l y s i so ft h eh i g hs p e e da dm o d u l e ， d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o nm o d u l e ，h i g hs p e e dd am o d u l e ，i fd r i v e rm o d u l e ，f p g ac i r c u i t m o d u l ea n dp o w e rm o d u l e ，as t u d yo nt h eh i g hs p e e dp c b d e s i g nb a s e do nc a d e n c ei sa l s o c o n d u c t e d k e yw o r d ：1 1 i g hs p e 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 k ，f p g a ，c p c i u 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名召盘燃 嘶年臼7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：气强：刍醢叫口年f 月侗 硕十论文高速数字调制解涮器的设计与实现 1 绪论 1 1 数字调制技术简介 调制是一种把基带信号转变为在载频上的带通信号，并使其具有一定的抗干扰能力 的技术。比起传统的模拟调制方式，数字调制方式有更好的抗噪声性能和更强的抗信道 衰落能力，实现起来更加灵活，易于将几种形式的信息融合在一起传输【l 】。通过选择合 适的调制方式，将信息能量集中在窄的频带内，满足通信系统对信号的变换要求。 数字调制的基本原理是用数字基带信号去控制正弦型载波的某参量，如控制载波幅 度，称为振幅键控( a s k ) ；控制载波频率，称为频移键控( f s k ) ；控制载波相位，称为 相移键控( p s k ) ：联合控制载波幅度和相位，称为正交幅度调* u ( q a m ) 。 近年来，软件无线电作为通信体制兼容性问题的重要解决方案受到各方面的关注。 它是在通用的硬件平台上，用软件来实现各种功能，包括调制解调类型、数据格式、通 信协议等。通过对软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能，充分体现了体制的灵 活性和可扩展性。其中高性能、高频谱效率的调制解调是通信系统的关键技术，它的软 件化也是实现软件无线电的重要环节【2 j 。 常用的数字调制方式有频移键控f s k 、最小频移键控m s k 、高斯最小频移键控 g m s k 、正交幅度调制q a m 、正交频分复用o f d m 和四相相移键控q p s k 等，下面简 单介绍这几种调制方式。 ( 1 ) 频移键控f s k f s k 利用载波的频率变化来传递数字信息，它利用基带数字信号离散取值点去键控 载波频率，以传递信息的一种数字调制技术，是数字信息传输中使用较早的一种调制方 式1 4 】。其主要优点是实现容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。 f s k 在中低速数据传输中得到了广泛的应用。例如计算机数据通信就是用f s k 调 制方式进行的，即把发送的二进制数据转换成f s k 信号传输，反过来又将接收到的f s k 信号解调成二进制数据。 f s k 调制的信号带宽较大，频带利用率小，随着通信系统对频带利用率要求越来越 高，f s k 调制应用逐渐减少。 ( 2 ) 最小频移键控m s k 在f s k 调制方式中，相邻码元对应的频率不变或跳变一个固定值，而跳变一个固 定值的两个频率对应相位通常是不连续的。m s k 对f s k 调制方式作改进，使其在频率 跳变时相位始终保持连续。m s k 调制是一种恒定包络、相位连续的调制方式，是连续 相位频移键控的一种特殊形式【l j 。 m s k 信号功率谱相对集中并具有恒包络特性，经过限幅后旁瓣电平迅速滚降。m s k 1 l 绪论硕上论文 调制的误码率与p s k 调制相近【l 】，具有高可靠性，解调和同步电路简单等特性。 ( 3 ) 高斯最小频移键控g m s k m s k 信号已具有较好的频谱和衰减性能，但在一些通信场合如移动通信中，对信 号带外辐射功率的限制是十分严格的，m s k 信号不能满足相邻频道低于主瓣峰值6 0 d b 以上的要求。 g m s k 调制是在数据流送入调制器前先通过一个高斯滤波器进行预调制滤波，其 目的是为了减小两个不同频率载波切换时的跳变能量，消除了m s k 在码元转换时刻的 相位转折点，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此g s m k 调制的 信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用【5 】。例如现在成熟商用 的第2 代移动通信g s m 体制就是采用了g m s k 调制方式。 ( 4 ) 正交幅度调制q a m q a m 是用两个独立的基带波形对两个正交的同频载波进行抑制载波的双边带调 制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。 与多进制m p s k 调制不同，q a m 调制采取幅度与相位相结合的方式，因而可以更 充分地利用信号平面，从而在具有高频谱利用率的同时获得比m p s k 更低的误码率。 当数据传输速率的要求高过8 p s k 能提供的上限时，一般采用q a m 的调制方式。 因为q a m 的星座点比p s k 的星座点更分散，星座点之间的距离更大，所以能提供更 好的传输性能。但是q a m 星座点的幅度不是完全相同的，所以它的解调器需要能同时 j 下确检测相位和幅度，不像p s k 解调只需要检测相位，这增加了q a m 解调器的复杂 性【1 1 。 相比于传统数字调制技术的单独利用振幅或相位携带信息方式，q a m 调制信号的 幅度和相位都携带信息，因而大大提高了信息传输的有效性，同时具有很高的频谱利用 率。q a m 被i e e e8 0 2 1 1 等标准选为主要的调制技术，并广泛应用于微波通信、有线 电视网络、v d s l 等领域。 。( 5 ) 正交频分复用o f d m o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传 输和频分复用的概念。o f d m 具有抗多径衰落，频谱利用率高，系统结构简单，易于 实现等优点，特别适合无线环境中的高速数据传输【3 】。 o f d m 的主要思想是：将信道分成若干正交予信道，将高速数据信号转换成并行 的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。在接收端正交信号可通过相关技术 来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰( i c i ) 。每个子信道上的信号带宽小于信道 的相关带宽，因此可以看成平坦性衰落，从而又可以消除符号间干扰( i s i ) 【3 l 。而且由于 每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。o f d m 调 制技术也存在固有的缺点：发送与接收端需要精确的同步；对多普勒频率偏移敏感；峰 2 硕士论文高速数字调制解调器的设计与实现 均比高，所需线性范围宽。 在向b 3 g 4 g 演进的过程中，o f d m 是关键的技术之一，可以结合分集、智能天线 技术、空时编码以及信道间干扰抑制，最大限度的提高系统性能。 ( 6 ) 四相相移键控q p s k q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 是利用载波的四种不同相位来表征输入的数 字信息【4 1 。输入的二进制数字序列先进行分组，每两个信息数字分为一组，然后根据约 定规则对分组信息用对应的载波相位去表征。q p s k 信号的产生有调相法和相位选择 法，详细内容参见本文第2 章。 在恒参信道下，与f s k 、b p s k 、a s k 等数字调制技术相比，q p s k 调制具有很强 的抗干扰能力，且具有更高的频带利用率，在电路上实现也较为简单，因此广泛用于各 种无线通信，成为现代通信中一种重要的调制解调方式。 表1 1 1 列出了移动通信系统中采用的调制技术。从表中可以看出，q p s k 调制以 及衍生的7 c 4 q d p s k 、o q p s k 调制在第二代日本p d c 、美国i s 1 3 6 、i s 9 5 a ( b ) 系统 及3 g 中的c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 系统中都有着广泛的应用5 1 。 表1 1 1 移动通信中的调制技术 移动通信系统调制技术 语音：f m 第一代模拟移动通信系统o g ) 信令：2 f s k g s mg m s k 第二代数字移动通信日本p d c 兀4 - q d p s k 系统( 2 g ) 美国i s 1 3 6 仃4 - q d p s k i s 9 5 a 、i s 9 5 b 下行：q p s k ，上行：o q p s k 2 5 gg s m g p r sg m s k 2 7 5 ge d g e8 p s k e d m a 2 0 0 0下行tq p s k ，上行th p s k 第三代移动通信系统 w c d m a 下行：q p s k ，上行：h p s k ( 3 c ) t d - s c d m a q p s k ，8 p s k ，16 q a m ( 仅用于h s p d s c h 信道) q p s k 也是目前卫星数字信号调制中最常用的一种方式，q p s k 数字电视调制器采 用了先进的数字信号处理技术，完全符合d v b s 标准，接收端可以直接用数字卫星接 收机进行接收。它不但能取得较高的频谱利用率，具有很强的抗干扰性和较高的性价比， 而且和模拟微波设备也能很好的兼容【6 】。 高速调制解调技术通常指数据传输速率大于 1 0 m b p s 的数字调制技术，目前在导航 和测控通信网中应用较多。在测控通信网中，用户航天器到测控通信站和测控通信站到 网络控制中心站之间的视频信息、公用勤务以及科学遥感图像数据等业务的传输，都需 3 1 绪论硕十论文 要采用高速调制解调技术才能满足实用要求。我国未来发展的实时传输型侦察卫星以及 跟踪与数据中继卫星系统( t d r s s ) ，将构筑成我国的天基通信系统，可以更好地发挥军 事战略战术中继卫星的效能，为巡航导弹测控实现高精度和快速反应奠定基础，这些信 息传输都需要采用高速调制解调技术。 随着现代导航技术、雷达技术、监控系统和通信业务的发展，高速数据传输的应用 需求越来越大，因此研究高速数字调制解调技术具有重要意义。 1 2 课题背景 本课题源自横向合作的科研项目，要求设计、制作一个通用的高速数字调制解调器 硬件平台，并对此硬件进行软件编程，实现对多路不同速率、不同格式数据源的组帧、 高速数据调制、中频驱动功能，同时实现对中频输入数据的高速解调、分路功能。 本文主要完成上述课题的部分任务：在实验室现有的硬件平台上完成高速调制器的 软件编程、调试，并研究高速调制解调器的硬件电路设计。 该硬件平台采用高速a d 、d a ，大容量的f p g a 器件和c p c i 总线接口等，除了 能够实现调制解调器的基本功能外，还可实现中频、视频信号的其他处理功能，为今后 的应用开发打下基础。 1 3 本文的主要工作 根据课题要求，主要完成了以下工作： ( 1 ) 分析了各种调制解调方式的性能特点，确定采用基于f p g a 的q d p s k 调制 解调方案。 ( 2 ) 深入研究q d p s k 调制技术，给出了基于f p g a 实现的详细模块框图，利用 v e r i l o g 语言分别对数据加扰模块、卷积编码模块、差分编码模块、码元映射模块和内 插成形滤波等模块进行f p g a 编程设计，文中给出了时序仿真结果，经验证所得结果正 确。 ( 3 ) 利用实验室现有的一块f p g a 板实现了调制器的所有功能，即：对输入的数 据作q d p s k 调制，完成数据加扰、卷积编码、差分编码、符号映射、内插、i q 基带 成形滤波。然后进行正交调制、上变频和d a 变换、再经过中频滤波放大，最后得到 中频调制信号输出。使用嵌入式逻辑分析仪s i g n a l t a p 采集的调制器实际工作的信号波 形与仿真结果一致，当输入数据速率为8 0 m b p s 时，在f p g a 内处理得到q d p s k 调制 基带i q 信号，送入解调器板，解调输出正确；当输入数据速率为8 m b p s 时，将基带 q d p s k 调制信号送入高速d a ，进行正交调制、内插和数字上变频，得到6 0 m h z 中频 调制信号并经过滤波放大，将输出信号经过噪声发生器后送入解调器板。当解调器输入 信噪比为7 2 d b 时，所测误码率低于1 0 - 6 。该调制器软件已验收通过，可交付使用。 4 硕上论文高速数字调制解调器的设计j 实现 ( 4 ) 针对现有f p g a 板存在的一些问题，使用c a d e n c ea l l e g r os p b1 5 7 软件设计 了通用性强的高速数字调制解调器硬件电路，该电路以a l t e r a 公司s t r a t i xi i 系列的 f p g a e p 2 s 6 0 f 1 0 2 0 c 3 为核心，采用c p c i 数据接口，应用高速a dl t c 2 2 0 8 、数字下 变频器i s l 5 4 1 6 、高速d ad a c 5 6 8 7 等器件。在深入研究q d p s k 调制技术的前提下， 文中给出了该硬件电路的系统框图和主要模块的电路原理图，并对关键电路进行了分 析。 ( 5 ) 对高速p c b 设计和信号完整性进行研究分析，该电路板的p c b 设计正在进 一步完善中。 在完成本课题工作的同时，还参与了其他一些科研工作：利用现有的一块f p g a 实 验板，设计了伪码调相中断连续波雷达的中频回波模拟信号源，用于雷达信号处理单元 的调试和性能测试，该信号源可产生指定距离单元活动目标的回波信号。 1 4 章节安排 第l 章主要包含了数字调制技术的简介、课题的背景、本文主要研究工作和章节安 排；第2 章阐述了q d p s k 调制解调器原理和实现方案的选择；第3 章详细介绍了本课 题中高速数字调制解调器硬件平台的方案设计，包括了硬件电路的构成框图，器件的选 型和关键模块的电路设计；第4 章详细介绍了q d p s k 调制算法的f p g a 实现和关键模 块的f p g a 设计，分析了q u a r t u s 仿真波形图和s i g n a l t a p 逻辑分析仪得到的波形图； 第5 章简要介绍了高速p c b 设计时的一些要求和注意事项；第6 章里对本文所做的工 作进行了总结和展望。 5 2q d p s k 调制解调器原理及方案选择 硕十论文 2q d p s k 调制解调器原理及方案选择 在实际通信系统中，大多数信道都是带通型的( 如卫星通信、移动通信和光纤通信 等) ，要求在规定的信道频带内传输信号，而不能直接传送基带信号。因此必须用基带 信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。 2 1q d p s k 调制解调原理 2 1 1 二进制相移键控( b p s k ) 对于二进制相移键控b p s k ，就是将二进制的数字信号0 和1 分别用载波的0 和兀 相位表示。其表达式如下： ( f ) = 4 a 9 7 ( f n t b ) c o s o 。f ( 2 1 1 1 ) 其中 a 。) 为双极性表示的二进制数字序列，取值为+ l 或- 1 ，出现概率相等，方差 o 。2 = 1 ，符号问互不相关。通常0 、1 表示的二迸制数转换成双极性码时0 变为+ 1 ，而 1 变为- 1 。互为二进制符- 号f s j 隔，9 7 ( f ) 为基带发送成形滤波器的冲击响应，可以采用矩 形脉冲响应，也可以采用具有升余弦特性的响应。 b p s k 信号的功率谱如图2 1 1 1 所示。 其中 6 一塔【_ ，j 一l 厂 、 h ，- 一 i _ - 一蠡0矗 f a ) x x 极性不归零矩形脉冲序列双边功率谱 b ) b p s k 信号功率谱 图2 1b p s k 信号功率谱图 b p s k 信号的功率谱计算公式为 p b e s x ( f ) = 了a 2 【( 一f c ) + p b ( f + z ) 】 ( 2 1 1 2 ) p b ( f ) = t b s i n c 2 ( 饵) ( 2 1 1 3 ) 由于+ l 和1 等概出现时，双极性不归零脉冲的功率谱中无离散的直流分量，所以 硕j ? 论文高速数调制解调器的设计与实现 b p s k 信号的功率谱中无离散的载频分量，仅有连续谱。 2 1 2 四相相移键控( q p s k ) 四相绝对相移键控利用载波的四种不同相位来表征数字信息，每一种载波相位代表 两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。设双比特码元的前一信息比特 为a ，后一信息比特为b 。通常a b 是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表2 1 2 1 【4 1 。 表2 1 2 1 双比特码元与载波相位的关系 双比特码元载波相位 aba 方式b 方式 0o o 兀4 01耳23 x | 4 l1冗5 n 4 l 0 3 兀27 a t 4 q p s k 调制的信号表达式为 岛o ) = , 4 c o s ( f 0 。t + 0 f ) i = 1 ，2 ，3 ，4 0 f z ( 2 1 2 1 ) 其中正为四进制符号间隔， 0 = 1 ，2 ，3 ，4 ) 为正弦载波的相位，有4 种可能状态。 当采用a 方式表示时，0 i - - 。一1 ) 2 ，。，为o 、詈、7 c 、了3 x ，q p s k 信号矢量图如图 2 1 2 1 中幻图所示。 当采用b 方式表示时，0 i = ( 2 f 一1 ) ；，4 、了3 n 、了5 1 r 、了7 7 r ，q p s k 信号矢量图如 图2 1 2 1 中b ) 图所示。 0 1 jl 霄 - 12 一 一 一 1r 0 0 j 限| | 0 0 ，其符号间隔z = 2 乃。分别对其进 行差分编码，得到双比特的相对码 ) 及 z ) ，对此双比特相对码进行q p s k 调制，即 可得到q d p s k 信号。 k 信号 图2 1 3 1q d p s k 调制产生框图 可见q d p s k 信号的产生比q p s k 信号的产生多了一个四进制差分编码的码变换 器，即利用当前四进制符号的载波相位0 打与前一个四进制符号的载波相位0 川的相位差 a 0 来传递当前绝对码的双比特码，因而在接收端利用相干解调差分译码后仍能正确地 解出绝对码，而不受载波恢复四重相位模糊的影响。 9 2q d p s k 调制解调器原理及方案选择硕十论文 四进制差分编码仍采用格雷码的差分编码逻辑关系，以便与q p s k 的格雷码相位逻 辑配合。其差分编码逻辑关系为： 机。厶- o ，则g = g 。e , , - i 。；瓠，。小o 臃乏言笼( 2 ) 式中巳和吃表示四进制符号对应的绝对码双比特码元，气和六表示四进制符号对应的 相对码的双比特码元，下标n 、n 一1 表示码位。 当相位变化等概出现时，q d p s k 信号的功率谱和q p s k 信号的功率谱是相同的， 它们的矢量图也是一致的。 q d p s k 信号的解调方法有极性比较法和相位比较法两种方式。由于q d p s k 信号 可以看作两路2 d p s k 信号的合成，因此，解调时可以分别按两路2 d p s k 信号解调1 4 j 。 图2 1 3 2 为q d p s k 信号极性比较法解调原理框图。 图2 1 3 2q d p s k 信号做住比牧缓蔺竿调原埋框图 上图中，q d p s k 信号的解调由解调器和码变换器两部分组成。解调器中上下两个 支路的相干载波分别为c 。s , t - 4 ) 2 更c 。s 。f + ；) 。若不考虑信道引起的失真及噪声 的影响，加到解调器输入端的接收信号在一个码元持续时间内可以表示为 一s ( t ) = g ( t ) c o s ( o ) 。t + 吼) ( 2 1 3 2 ) 在上支路中，相乘器的输出为 s o ) c 。s ( c f 一；) 2g o ) c 。s ( c ，+ q t ) c 。s ( c ，；) 但1 3 3 ) = 圭g o ) c 。s 【孙，r + ( 平。一；) 】+ 圭g o ) c 。s ( ( p 。+ ；) 。 低通滤波器的输出为 扣) c o s ”争 ( 2 1 3 4 ) 同理，下支路相乘器的输出为 硕上论文 高速数字调制解调器的设计j 实现 l g ( t ) c 。s 【2 。f + ( q 。+ 三) 】+ 三g o ) c 。s ( 9 。一；) 低通滤波器的输出为 扣) c o s 。一；) 因此上、下支路在f = 互时刻的抽样值可分别表示为 u ao cc 。s t + 争 ( 2 1 3 5 ) ( 2 1 3 6 ) ( 2 1 3 7 ) u b o cc o s t 一 ) ( 2 1 3 8 ) 判决器按极性判决，负抽样值判决为“1 ，正抽样值判决为“0 ”。 图2 1 3 2 中码变换器的工作原理分析如下： 第一种情况：前一状态上下支路具有相同数据0 0 或1 1 时，即满足q 一。o z 一。= o ， 则码变化器的输出为 鬣言乏 亿 第二种情况：前一状态上下支路具有不同数据0 1 或1 0 时，即满足q 一。oz 一，= 1 ， 则码变换器的输出为 髓三詈乏1 ( 2 1 3 1 0 ， 式中0 表示模二加运算，q 和以表示四进制符号对应的相对码双比特码元，a n 和吒表 示四进制符号对应的绝对码的双比特码元，下标俄刀一1 表示码位。 2 1 4o q p s k 简介 在q p s k 数字调制中，将二进制双极性不归零矩形脉冲序列串并变换后再进行正交 载波调制，得到的q p s k 信号包络恒定。由于q p s k 会发生相邻的四进制符号载波相位 差为7 c 的现象，所以恒定包络q p s k 信号功率谱的旁瓣较大。在实际数字通信中，往往 要求信道带宽是有限的，为了对q p s k 信号带宽进行限制，经常在q p s k 数字调制器中， 先将双极性矩形不归零脉冲序列经过基带成形滤波器限带，再进行正交载波调制，将限 带的基带信号功率谱搬移到载频上，称为限带的q p s k 信号，但此时的限带q p s k 信号 包络不再恒定，并且在相邻四进制符号的载波相位发生尢相移突变处，会出现包络为零 的现象【1 1 。为了改善限带的q p s k 信号包络起伏大的缺点，引入了q p s k 的修正形式： 2q d p s k 调制解调器原理及方案选择硕j ：论文 偏移四相相移键控( o q p s k ) 的调制方式。 o q p s k 的调制框图如图2 1 4 1 所示。将双极性二进制序列串并变换后得到速率减 半的同相支路和正交支路序列，其符号间隔z = 2 瓦。与q p s k 不同的是，它的正交支 路码元和同相支路码元序列在时间上要偏移一个比特间隔。同相及正交序列经过成形滤 波器限带后再分别进行正交载波调制。 q p s k 信号在每隔z 时间内，其载波信号相位可能会发生7 c 的相位突变现象，而 o q p s k 信号在每隔五( 瓦= 2 z ) 时间，其信号载波相位有可能发生7 c 2 相位变化，不 会发生7 1 ；的相位突变现象，因而此限带的o q p s k 信号包络起伏很小，限带o q p s k 信 号包络的最大值与最小值之比约为2 。 s i n 。o f t 图2 1 4 1 产生o q p s k 信号的框图 2 2 采用q d p s k 调制解调方案的理由 0 q p s k 信号 = 2 r 合理的解决可靠性与有效性矛盾，是正确设计通信系统的一个关键问题。如果信道 特性已经给定，则系统设计的目标就变得很明确：比特速率r 大，比特差错率只小， 信号功率小，所需带宽小。同时尽可能使系统的频带利用率最大，并能满足具体不 同通信系统的其他特殊要求。通常这些指标不可能同时达到最优，只能权衡选择。 为进一步提高带宽利用率，从b p s k 逐渐发展到q p s k 、8 p s k 等调制方式。分析 表明，m p s k 的频带利用率随m 的增加而增加，而维持相同误码率所要求的氏o 是 完全相同的，但总的载波功率则会随m 的增大而增加。考虑到具体实现时的复杂度， 实际m p s k 调制付出的功率代价比理论值要高，所以目前用得最多的还是b p s k 和 q p s k 。 目前技术相对比较成熟且最常用的调制方式是q d p s k ，它的调制和解调实现复杂 度中等。常用的载波恢复锁相环路，根据m p s k 相位数目不同，会产生m 个两区间内 的稳定平衡点，导致解调输出信号的相位模糊问题。有效消除相位模糊影响的基本方法 1 2 硕一i j 论文高速数宁调制解调器的设计与实现 是在发射端进行q p s k 调制前先进行差分编码，即q d p s k 调制。接收端采用相干解调 时，则在解调后加上差分译码电路，就能恢复出原始信息。q d p s k 调制能很好地解决 恢复载波的四重相位模糊影响到相干解调输出的问题，代价是损失了一些信噪比。 q d p s k 解调的关键是载波同步和位同步，本系统设计的q d p s k 解调器中，载波同步 采用f f t 频偏估计法和基于c o s t a s 环的相位同步法，位定时同步采用基于g a r d n e r 算 法的反馈型插值算法。 再综合考虑体积、重量、带宽、功耗、可靠性等因素，最后决定采用q d p s k 的高 速调制解调方案。 3 高速数字调制解调器的硬件设计硕论文 3 高速数字调制解调器的硬件设计 3 1 方案选择 在高速数字调制解调硬件设计方案选择中，最主要的问题是如何解决大量的、复杂 的运算需求同目前硬件条件所能提供的资源之间的矛盾，运算需求包括了运算速度、i o 速率和存储容量等，常见的解决方案主要有以下两种： ( 1 ) 高速d s p 方案 d s p 具有非常好的灵活性、通用性和可移植性，基于d s p 的硬件系统，通用性好、 可自适应于不同调制解调功能的硬件平台，并且软件部分在日后的升级时十分灵活，为 系统性能的提升预留了一定的空间。 新一代的d s p 芯片在制程、尺寸、速度和功耗等方面都有了很大的进步。但是面 临高速数字调制解调这种复杂的时序逻辑运算，用单片d s p 实现是非常困难的。由于 目前的d s p 广泛采用了哈佛结构和改进的冯诺伊曼结构，在一个指令周期可进行多次 存取，因而这种体系结构对于无关联性的顺序算法流程的实现非常有效。当只用一片分 时运行的d s p 时，如果同时调度多个时间要求紧迫的任务，则需要非常复杂的编程， 这使代码效率变得很低，甚至无法满足设计需求。主要原因是由于d s p 在处理一些并 行的和反馈的数据流时，需要额外的等待时间。若采用多片d s p ，则系统复杂度大大增 加。 ( 2 ) 现场可编程门阵歹u ( f p g a ) 方案 可编程逻辑器件主要包括复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门阵列 ( f p g a ) 。这些器件共同的特点是可以让用户根据其具体需要，来实现指定用途的数字 电路。f p g a 利用可编程电子开关实现其逻辑功能，通过改变其布线来实现不同的功能。 通常在f p g a 内部，由布线资源分隔而成的可编程逻辑单元构成阵列。排成阵列的逻辑 单元由布线通道中的可编程内连线连结起来，以实现一定的逻辑功能。一片f p g a 内部 包含大量快速的逻辑门单元、寄存器单元和i o 单元。这种内部结构特性，使得在使用 f p g a 时除了可以根据需求对它进行多次配置外，还可以充分利用硬件门电路的并行 性，提高系统处理速度，完成大量的实时处理运算。 由于f p g a 密度高、速度快、功耗低、可配置性强等特性，已经在许多领域得到了 广泛的应用。 表3 1 1 为f p g a 与d s p 详细技术性能的比较。 1 4 硕i ：论文高速数调制解调器的设计j 实现 表3 1 1f p g a 与d s p 技术性能的比较 技术性能f p g a d s p 处理速度若结构合理，则速度很快受d s p 时钟速度的限制 并行处理能力很高的并行处理性能 通常是串行处理 乘加运算实现方法分布式或并行算法乘加功能重复操作 乘加速度采用并行算法则速度快受d s p 乘加速度的限制 各自优势f i r 滤波器、卷积、f f t顺序执行信号处理程序 编程语言 v h d l 、v e r i i o g 、s y s t e m c c 、汇编语言 编程难易度 容易，需了解硬件结构 容易 功耗 可使用低功耗设计与使用存储器的多少有关 重复配置性s r a m 结构可无限次配置通过改变程序内存内容配置 配置方法下载配置数据到芯片通过在不同的内存地址读程序完成配置 表3 1 2 对d s p 和f p g a 实现的高速数字调制解调方案的优点和缺点做了比较，当 然这只是一个粗略的比较，因为根据具体的器件型号的不同，性能是有差异的。 表3 1 2 两种方案的比较 拦麓 现场可编 灵活性处理速率实时性功耗成本体积 方案 程性 高速d s p很高较快较差中等中高中等中等 f p g a 较高很快很好较低中低较高中等 在实现过程中要根据实际的系统需求，合理地选取恰当的处理技术和处理器件，以 达到更高的系统性能和相对较少的资源利用率。一般基于灵活性、通用性和可扩展性的 考虑，希望可以利用软件来实现系统的所有功能。但有一些功能需要很大的运算量，用 软件实现无法满足实时性的要求，只能用硬件来实现。还有一些时序逻辑运算的实现用 软件也是无法完成的，也要求用硬件电路实现。因此通信系统中强调的灵活性就可以用 可编程的硬件配合软件的控制来实现。 经过对d s p 和f p g a 两种实现方案的详细比较，综合考虑方案各自的特性、优势 劣势和系统的性能需求，选取了f p g a 作为高速数字调制解调硬件设计的解决方案。 早期的信号处理板没有统一规格，它们根据不同的用户要求设计成各种类型，并通 过预留的接口将多块信号处理板连接起来。虽然这样可以为不同的用户量身定做，但是 存在很多缺点：通用性差，不易升级换代。给一个用户做的信号处理板，很难用于另一 个用户，当为下个用户制作类似的信号处理板时，基本上要重新设计，浪费了大量的 资源。 基于c p c i ( c o m p a c tp e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线的通用信号处理器平台 采用插卡式信号处理板，信号处理板通过c p c i 总线与主机相连，板卡的机械尺寸是标 1 5 3 高速数调制解调器的硬件设计硕j ：论文 准的，可以根据不同的要求设计成3 u 和6 u 两种尺寸。这样处理可以将板卡设计成通 用信号处理板，根据不同的用户要求只需做少量的修改。 3 2 高速数字调制解调器的硬件设计方案 本系统硬件的主要设计思路是以f p g a 为核心，采用c p c i 数据接口，可同时完成 数据调制解调基带处理及中频调制解调工作。设计的硬件电路框图如图3 2 1 所示，高 速数字调制解调器的硬件主要由f p g a 主处理器及外扩存储器、数模转换及中频滤波 放大、模数转换及数字下变频、输入输出c p c i 数据接口、电源和时钟及其他电路等 五部分构成。 图3 2 1 高速调制解调器的硬件电路框图 ( 1 ) 数据调制 从c p c i 接口输入的多路差分数据信号经过差分单端转换器变成单端信号后进入 f p g a ，进行数据组帧，然后作q d p s k 调制，调制后的基带信号进入高速d a 转换器 进行正交调制、数字上变频、d a 变换、中频滤波放大，得到中频调制信号输出，该信 号经过上变频器、高功率放大和天线辐射到空间。 ( 2 ) 数据解调 从天线接收的信号经过低噪声放大、下变频和滤波后进入信号处理板，该板对输入 的中频调制信号进行高速a d 采样、数字下变频后，送入f p g a 进行正交解调和基带 信号处理，最后恢复出各路数据信号，这些数据再经过单端差分转换，送至c p c i 总线。 3 3 主要器件的选型及介绍 1 6 硕上论文 高速数调制解调器的设计与实现 3 3 1f p g a 器件 目前主要的f p g a 供应商有a l t e r a 公司、x i l i n x 公司、l a t t i c 公司和a c t e l 公司，其 中a l t e r a 公司和x i l i n x 公司的规模最大，能提供的器件种类十分丰富。目前，a l t e r a 公 司的主流器件有c y c l o n ei i ，c y c l o n ei i i ，s t r a t i xi i ，s t r a t i xi i i ，s t r a t i xi v 和s t r a t i xv 等 系列，其中c y c l o n ei i 和c y c l o n ei i i 系列主要应用于逻辑设计和简单的数字信号处理， s t r a t i xi i 和s t r a t i xi i i 系列主要应用于高速复杂数字信号处理和高速逻辑设计，s t r a t i xi v 和s t r a t i xv 系列含有高速收发器主要应用于通讯领域l _ 7 】x i l i n x 公司的主流器件有 s p a r t a n 3 e ，s p a r t a n 3 a ，v i r t e x 4 l x ，v i r t e x 4s x ，v i r t e x 5l x 和v i r t e x 5s x 等系列， 其中s p a r t a n 3 e 和s p a r t a n - 3 a 系列主要应用于逻辑设计和简单