（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的软件无线电的数字调制技术研究与实现.pdf

西华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no nd i g i t a lm o d u l a t i o n o fs o f t w a r er a d i ob a s e do nd s p t e c h n o l o g y p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e m d g r a d u a t e ：q ig a n g ，s u p e r v i s o r ：y a n gy a n x i a n g i nr e c e n td e c a d e s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a se n t e r e dap e r i o do fr a p i d d e v e l o p m e n t ，i ti sc l o s e l yr e l a t e dt op e o p l e sd a i l yl i v e sa n dh a sb e c o m ean e c e s s i t y i np e o p l e sl i v e s ，t h ec u r r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni si nt h es e c o n dg e n e r a t i o nt o t l l i r dg e n e r a t i o no ft h ep h a s et r a n s i t i o n t h em o d u l a t i o ni sa k e yt e c h n o l o g yi nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，a n d i ti s i m p o r t a n tf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t os e l e c ta n a p p r o p r i a t ea n dh i 曲e f f e c t i v em o d u l a t i o nm o d ea c c o r d i n gt o d i f f e r e n tw i r e l e s s c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c t h ea p p e a r a n c eo ft h es o f t w a r er a d ，i oi sa h u g ei m p e t u st ot h e d e v e l o p m e n to fm o b i l e c o n s t r u c t i n gag e n e r i c ，s t a n d a r d ，m o d u l a rh a r d w a r ep l a t f o r m a n dr e a l i z i n gt h er a d i of u n c t i o nb ys o f t w a r ei n s t e a do fh a r d w a r ec a ne n h a n c et h e s y s t e mf l e x i b i l i t yg r e a t l y i ti sf l e x i b l ef o rt h ed i g i t a lm o d u l a t i o nb ys o f t w a r e ，a n di t m a yr e a l i z ed i f f e r e n tm o d u l a t i o nm o d et h r o u g ht h ea i r b o m et ob e d o w n l o a d e da n d t h e r e f o r ei ts u i t st h ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a f t e rr e a d i n gm a s s i v ed o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ea b o u td i g i t a lm o d u l a t i o na n d s o f t w a r er a d i o ，i nt h ep a p e r ，d e e p l ys t u d y i n gt h ep r i n c i p l e so fd i g i t a lm o d u l a t i o n m e t h o d sa sw e l la st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，id e s i g n e das o f l w a r er a d i o p l a t f o r mi no r d e rt oa c h i e v et h ec o r r e s p o n d i n gd i g i t a lm o d u l a t i o n t h ep l a t f o r ml o t t i sd s pc h i pt m s 3 2 0 v c 5 4 16a st h ec o r et op r o c e s ss i g n a lf o rr e a l i z i n gd i g i t a l m o d u l a t i o na l g o r i t h m s ，r e s p e c t i v e l y , t h ea d ca n dd a cc o n s t i t u t ed a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e sa n dt ot h em o d u l a t i o ns i g n a l p r o c e s s i n g m o d u l ei nt h ep e r i p h e r a l c i r c u i t s ，a n dt h ec p l dc o n s t i t u t el o g i cc o n t r o lm o d u l e ，w h i c hp r o v i d ei n t e r f a c e c o n t r o ls i g n a l s ，a n dr e a l i z ei n p u ti n f o r m a t i o nr e t r i e v a lf u n c t i o n s ，d e c o d i n gf u n c t i o n s l i 西华大学硕士学位论文 a n ds u b b a n df u n c t i o n i ns o f t w a r ed e s i g n , i ti sd i v i d e di n t ol o g i cc o n t r o la n dd i g i t a l m o d u l a t i o na l g o r i t h mi nt w op a r t s p a r to ft h eo v e r a l ll o g i cc o n t r o lr e a l i z ec p l d l o g i c c o n t r o lm o d u l ea n d d i g i t a l m o d u l a t i o np a r tr e a l i z ea s k , f s k ，q p s k m o d u l a t i o na l g o r i t h mi nt h ed s pm o d u l e t h es o f t w a r e d e f m e dr a d i op l a t f o r mh a sl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha sf a s t e r p r o c e s s i n gs p e e d ，r e a l - t i m eo p e r a t i o n a l ，l a r g ea m o u n t so fd a t as t o r a g ea n ds oo n k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o ；d i g i t a lm o d u l a t i o n ；d s p ；c p l d i i i 西华大学硕士学位论文 声明 本人申明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。除了文中特别加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果属西华大学所有，特此申明。 作者签名：侧冲刖乙日 导师签 6 7 巾 6 月l1 日 西华大学硕士学位论文 使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密4 适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：乡桐j 日期：加l6 9 _ 。 指导教师签名 日期： 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 移动通信的发展 从2 0 世纪2 0 年代至4 0 年代，移动通信开始出现并进入早期发展阶段。这 一阶段，首先在短波几个频段上开发出了专用移动通信系统，其代表是美国底 特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2 m h z ，到了4 0 年代工 作频率提高到了3 0 4 0 m h z ，可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段， 特点是专用系统的开发，工作频率较低。 第二阶段从2 0 世纪4 0 年代中期至6 0 年代初期。在此期间内，公用移动通 信业务开始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔实验 室在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时 使用三个频道，间隔为1 2 0 k h z ，通信方式为单工。随后，西德( 1 9 5 0 年) 、法国 ( 1 9 5 6 年) 、英1 雪( 1 9 5 9 年) 等国也相继研n t 公用移动电话系统。在此期间，美 国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动 网向公用移动网过渡，接续方式为人工交换方式，网络的容量较小。 第三阶段从2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期间，美国推出了改 进型移动电话系统( i m t s ) ，使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 两个频段，采用大区制， 容量仍为中小容量，实现了无线频道的自动选择并能够自动接续到公用电话网。 可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用了大区制、 中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期，这是移动通信蓬勃发展的 时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功了先进移动电话系统( a m p s ) ，建成 了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1 9 8 3 年，该系统首次在芝加哥投 入商用，到1 9 8 5 年3 月已扩展到4 7 个地区，有约1 0 万移动用户。同期，其它 西方发达国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1 9 7 9 年推出了 8 0 0 m h z 的汽车电话系统( h a m t s ) ，相继在东京、大阪、神户等地投入商用。 西德于1 9 8 4 年完成了c 网的建设，频段为4 5 0 m h z 。英国在1 9 8 5 年开发出全 地址通信系统( t a c s ) ，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为9 0 0 m h z 。 西华大学硕士学位论文 加拿大推出了4 5 0 m h z 移动电话系统m t s 。瑞典等北欧四国于1 9 8 0 年开发出 了n m t 一4 5 0 移动通信网，并投入使用，频段也为4 5 0 m h z 。这一阶段的特点 是蜂窝状移动通信网成为了实用系统，并在世界各地迅速发展，这就是我们通 常所说的第一代移动通信系统。移动通信迅速发展的原因，除了用户数量迅猛 增加这一主要推动力之外，还有几方面关键技术的进步为移动通信的迅速发展 提供了技术上的可行性。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得 通信设备的小型化、微型化有了可能，各种轻便电台被不断地推出。其次，提 出并形成了移动通信新的体制，随着用户数量的增加，大区制所能提供的容量 很快出现饱和，这就要求必须探索新的体制。在这方面最重要的突破是贝尔试 验室在7 0 年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频 率再用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝的概念真正解决了公用移动通信 系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路 的发展而出现的微处理器技术的日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为 大型通信网的管理与控制提供了技术手段。 第五阶段从2 0 世纪8 0 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟 的时期。以a m p s 和t a c s 为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统，模拟 蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移 动设备复杂，费用昂贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题 还是其容量已远远不能满足日益增长的移动用户数量的需求，解决这些问题的 方法就是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高， 可大大提高系统容量。另外，数字网能够提供语音、数据以及视频等多种业务 服务，并且与i s d n 等兼容。实际上，早在7 0 年代末期，当模拟蜂窝系统还处 于开发阶段时，一些发达国家就开始着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到8 0 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信g - x j ( g s m ) 的体系。随后，美国和 日本也制定了各自的数字移动通信体制。泛欧网g s m 已于1 9 9 1 年7 月开始投 入商用，并于9 0 年代中期覆盖了欧洲的主要城市、机场和公路。这一阶段的数 字移动通信系统我们称之为第二代移动通信系统，其中比较成功的是欧洲的 g s m 系统和美国的窄带c d m a 系统。 在我国，由于经济基础薄弱，工业技术落后，通信尤其是移动通信的发展 2 西华大学硕士学位论文 起步较晚，第一代移动通信系统( 模拟系统) 蓬勃发展的时候我国刚开始改革 开放，没有在全国实现统一的通信网络，造成手机用户无法在全国漫游，限制 了其发展。第二代数字蜂窝系统我国采用了两种不同的系统，即欧洲的g s m 系 统和美国的窄带c d m a 系统。无论是第一代还是第二代移动通信系统，我国都 没有形成自己的核心技术。进入新世纪，人们对通信业务的要求不断提高，不 再仅仅局限于语音通信，还要求能够进行数据业务以及视频业务，第二代移动 通信系统的频率资源已经不能适应用户的需要，迫切需要容量更大，并且能提 供更多新业务的移动通信系统，以宽带c d m a 技术为核心的第三代移动通信系 统开始在一些国家运行，我国也将在近期开通。目前，国际上有w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三种主流3 g 技术体制标准，我国积极参与国际合作， 并提出了拥有自主知识产权的t d s c d m a 标准。在第三代移动通信系统在一些 国家将大范围应用的同时，以o f d m 技术为核心的第四代移动通信系统的技术 也已经基本趋于成熟【1 8 】【9 】。 1 2 软件无线电数字调制技术的现状和发展趋势 软件无线电( s o f t w a r ed e f m e dr a d i o ，简称s d r ) 是最近一些年提出的一 种无线通信的新结构。它主要是针对现在无线通信领域存在的一些问题，如： 多种通信体系并存，各种标准竞争激烈，频率资源紧张等等，特别是无线个人 通信系统的发展，使得新的系统层出不穷，产品生产周期越来越短，原有的以 硬件为主的无线通信体制难以适应这种局面，软件无线电的概念则应运而生。 软件无线电是无线电通信方面的一种新的变革。其最终目的是使通信系统摆脱 硬件系统结构的束缚，在通信系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实 现各种功能，使得系统的改进和升级非常方便且代价小，同时不同系统间容易 实现互联和兼容。 软件无线电的基本思想是构建一个通用的标准硬件平台，用软件来实现尽 可能多的无线通信功能。其目标是实现多波段、多体制、多制式的通用式的接 收和发送，达到通信设备之间的互联互通。在一个实际的软件无线电实现的移 动通信系统中，为了保证正常的通信，系统应能够动态的监控信道的质量，动 态分配信道。同时，工作中的移动台和基地台要能够判断它正在接收的信号是 3 西华大学硕士学位论文 什么标准、什么协议。传统的通信系统是针对于特定的调制样式，特定的带宽 的单一型系统，一旦硬件固定，其参数也就固定了，所以，其应用范围非常有 限，很不适应现在的多调制，多服务的通信系统。可以说，传统的通信系统有 许多不足，它的这种事先约定性给它的功能扩展带来了不便。软件无线电要解 决的也是这种事先约定性，它具有多功能，多调制，多频段的特性。由于多调 制的存在，就要有自动的多调制的识别方法，只有能自动的识别出信号的调制 方式，才能准确的进行解调，并根据业务需要决定下一步的处理。所以，信号 调制方式的自动识别是软件无线电中必须具备的功能之一。 1 3 本论文的研究工作及实现目标 本文全面深入地研究了软件无线电当中的数字调制理论以及其实现结构， 提出了数字调制模型。由于数字调制信号的基带处理( 如编码、译码、交织、 卷积等) 部分算法比较复杂，适合于用数字信号处理器( d s p ) 来实现，所以 设计中是以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为核心构建了一个软件无线电 平台，数字调制基带处理的算法都由d s p 实现。 本文主要完成的研究工作为： ( 1 ) 熟悉各种数字调制理论，对数字调制算法进行深入研究，并在m a t l a b 环境下实现相应的数字调制。 ( 2 ) 数字处理核心模块设计。以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为核 心构建数字处理的核心模块，详细研究其数据文档，熟悉底层的硬件结构和相 应的外围电路。根据本设计系统实际要求选择c y 7 c 1 0 4 1 做为外部存储芯模块， 分别以数字模拟转换芯片t l c 5 510 和t l c 5 6 0 2 构成信号采集处理模块和已调 信号处理模块。 ( 3 ) 逻辑和时序控制模块设计。以a l t e r a 公司c p l d 芯片e p m 7 1 2 8 为逻 辑和时序控制模块的，参考公司给出的设计参考，认真的理解逻辑和时序控制 模块组成，并用此模块对软件无线电数字调制平台进行逻辑控制，并对给各个 模块进行时序的控制。 ( 4 ) 熟悉软件开发环境。包括d s p 的开发环境c c s 和c p l d 的开发环境 m a x + p l u si i ，并熟悉相关的开发语言，对d s p 编译则采取c 语言和汇编语 4 西华大学硕士学位论文 言混合编译的方式，对c p l d 编译则采取v h d l 语言进行。 ( 5 ) 数字调制的实现。根据数字调制算法和相关的特点进行编译，在c c s 的环境下实现了2 a s k 、2 f s k 、q p s k 等调制算法。对c p l d 部分进行编译， 用来实现如译码功能、数字分频功能、存储器扩展信号控制功能、采集信号检 测功能等。 5 西华大学硕士学位论文 2 信号调制基本理论 调制就是对信号的编码信息进行处理，使其变成适合传输的形式的过程。 一般来说，意味着把基带信号( 信源) 转变为一个相对基带频率而言频率非常 高的带通信号，该带通信号称为已调信号。调制可以通过使高频载波随信号幅 度的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。调制通常根据载波的类型 来划分为正弦波调制和脉冲调制两大类，正弦波调制又根据调制信号的种类不 同划分为模拟调制和数字调制，即如果要调制的是模拟信号则为模拟调制，如 果要调制的是数字信号则为数字调制；脉冲调制又分为脉冲调制 ( p a m ，p p m ，p w m 等) 和脉冲编码调制( p c m 、a d p c m 、o m 等) ，前者多用 于有线传输系统，后者多用于信源编码。由于数字调制有许多的优点，并且已 经用来取代传统的模拟系统，本章论述的调制算法是我们选择的几种常用的调 制算法开展研究的，重点介绍数字调制技术，下面具体介绍各种常用调制算法。 2 1 模拟调制的基本理论 模拟调制是指用连续的模拟基带信号对正弦载波进行调制，使载波的参数 随调制信号的作用而变化。用于传递信号的载波一般采用正弦波，正弦波的主 要参数有幅值、频率、相位，根据受控制载波参数的不同，模拟调制可以分为 幅度调制和角度调制。模拟调制主要应用于广播电视系统以及第一代移动通信 系统。 2 1 1 幅度调制 幅度调制( a m ) 是指使载波的幅值随调制信号的作用而变化，这是一种线 性调制技术，实现了调制信号频谱的线性搬移。在幅度调制中主要有常规调幅 ( a m ) 、双边带调制( d s b ) 、单边带调制( s s b ) 和残留边带调制( v s b ) 。 常规调幅( a m ) 信号实现起来比较简单，但是调制效率低，不传送信息的载波 功率占据了大部分发射功率。这就产生了双边带调制( d s b ) 、单边带调制( s s b ) 和残留边带调制( v s b ) 等方式调制，这几种方式提高了a m 调制的效率和性 6 西华大学硕士学位论文 能，一般用于调幅广播系统和电视广播传播系统等。 2 1 2 角度调制 角度调制是指载波的角度随着调制信号而变化，角度调制包括频率调制 ( f m ) 和相位调制( p m ) 。频率调制( f m ) 指载波的瞬时角频率偏移随调制 信号的变化而线性变化，相位调制( p m ) 指载波的瞬时相位偏移是调制信号的 线性函数。正弦波的相位的变化会引起频率的变化，同样，频率的变化也会引 起相位的变化，两者的变化都会引起角度的变化，所以频率调制( f m ) 和相位 调制( p m ) 统称角度调制。在角度调制中已调信号的频谱不再是调制信号频谱 的线性搬移，所以是非线性调制。另外根据调制前后信号带宽的相对变化可以 把角度调制分为宽带角度调制和窄带角度调制。第一代的模拟蜂窝移动通信系 统采用的是调频( f m ) 方式1 6 j 【l 】。 模拟调制技术在现代无线通信系统中已经逐渐被数字调制技术所取代，所 以本文不做详细介绍。 2 2 数字调制的基本理论 数字基带信号也可以在一些有线信道如市话光缆中传输，但是对于无线、 微波以及卫星这些信道一般都是带通信道，基带信号无法在这些带通信道中直 接传输，所以必须对数字基带信号进行调制后才能在无线信道中传输。数字调 制就是用数字基带信号去调制载波，控制载波的某些参数。与模拟调制相对应， 数字调制也可以分为幅度调制、相位调制和频率调制，分别称为振幅键控( a s k ) 、 频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。 2 2 1 振幅键控【7 】【6 】 振幅键控( a s k ) 是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制方 式。数字基带信号采用单极性信号，调制方式可以采取基带信号直接与载波相 乘实现。a s k 调制原理图如图2 1 ： 7 西华大学硕士学位论文 已调信号 f i g2 1a s k m o d u l a t i o n as c h e m a t 品 图2 1a s k 调制原理图 a s k 的时域表达式为：s a s k ( t ) = a n a c o s ( 0 0 0( 2 1 ) 其中a i l 为二进制的数字基带信号，当扩l ，概率为p ；当酽o ，概率为1 p 。 a 为载波的振幅，0 ) c 为载波的频率。一般情况下调制信号是具有一定波形的二 进制脉冲序列曰( r ) = a n g ( t n t ，) ，其中乃是二进制基带调制信号的间隔， 9 0 ) 为单个脉冲信号的时间波形，则二进制振幅键控信号表达式为： s a s r ( f ) = 【 a n g 够一刀r s ) 】c o s e t ( 2 2 ) a s k 调制信号的时域波形图如图2 2 ：( 基带信号为二进制数字信号 1 】0 1 0 1 0 0 ) b i n a r ys l 口n 矗i ； 1 o1 0 02 0 03 4 0 05 0 06 0 07 0 0a o o f i g2 2a s k t i m ew a v e f o r m 8 西华大学硕士学位论文 图2 2 a s k 时域波形图 若一个信号状态始终为零，相当于处在关断开状态，此时常称为通断键控 信号( o o k 信号) 。 o o k 调制信号的时域波形图如图2 3 ：( 基带信号为二进制数字信号 1 0 0 1 0 1 0 1 ) 斟m 吖s l l g r w i ； ! ilff i 01 0 02 0 03 0 04 0 05 6 0 0 7 0 08 0 0 f i g2 3o o k t i m e w a v e f o r m 图2 3o o k 时域波形图 振幅键控是线性调制技术，信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移， 频谱宽度是基带信号的两倍，功率谱密度的表达式为： a s k ( w ) = 1 4 p 8 ( c o + 纰) + p s ( c o 一纰) 】 ( 2 3 ) 其中n 洄) 为二进制脉冲的功率谱。a s k 信号的谱零点带宽b s = 2 办， 压是调制信号的谱零点带宽。经过分析2 a s k 信号包括离散谱和连续谱两部分， 其中离散谱位于声附近，这意味着2 a s k 信号中为了存在可以作为载波同步的 载频成分，连续谱则取决与数字基带脉冲的频谱。2 a s k 调幅的频带利用率低， 在给定信道带宽的条件下，它的单位频带内所能传送的信息较低。为了提高频 带利用率，可以用单边带调幅。但是由于具体技术的限制，要想实现理想的但 边带调幅是极为困难的。 a s k 方式主要用在最初的电报系统，由于其抗噪声能力较差，在移动通信 9 西华大学硕士学位论文 中较少使用，但是近几年随着对信息速率要求的提高，多进制振幅键控( m a s k ) 在有线信道中也得到了更多的使用。 2 2 2 频移键控【1 8 】【1 】 频移键控( f s k ) 指用二进制数字基带信号控制载波的频率，利用载波频 率的变化来传递数字信息。f s k 的时域表达式为： s f s k ( t ) = 【a g ( t - 玎兀) 】c o s 州“a g ( t 一刀乃) 】c o s 0 2 t ( 2 4 ) a n 是单极性的兰进制信号，作为键控信号控制对频率的选择，当a 月= l 时对 应载波频率c o l ，当a n = 0 对应载波频率( 0 2 。从2 4 中可以看出二进制频移键 控相当于两个不同频率交替发送的a s k 信号，即两个不同载频的a s k 信号之 和。其中，s l ( f ) = 【a ng ( t 一珂r s ) c o so l t ，s 2 ( f ) = 【口一g ( t 一刀t s ) c o so 2 t f s k 的调制原理闰如图2 4 ： ” 号 f i g 2 4f s km o d u l a t i o n as c h e m a t i c 图2 4 f s k 调制原理图 由原理图可知，当基带信号为1 的时候，正脉冲使得门电路选通f 1 ；当基带 信号为0 的时候，使得选通最。用数字基带信号去控制一个振荡器的某些参数， 直接改变振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。此方法产生的2 f s k 信 号对应着两个频率的载波，在码元转换时刻，两个载波相位能保持连续，所以 称为相位连续的2 f s k 信号。此外，如果产生f l 和龟的两个振荡器是独立的， 则输出的2 f s k 信号的相位是不连续的。这种方法的特点是转换速度快，波形 好，频率稳定度高，电路不复杂，可以广泛应用。 l o 西华大学硕士学位论文 f s k 调制信号的时域波形图如图2 5 ：( 基带信号为二进制数字信号 1 0 1 1 0 0 0 1 ) 斟n a r y8 1 9 n i l l l ； ； ； ； ； “-“ + + ： ii 1 0 02 3 0 04 0 05 6 0 0 7 0 0 8 0 0 f i g 2 5f s k t i m ew a v e f o r m 图2 5f s k 时域波形图 f s k 信号的功率谱密度可以表示为： p f s k ( t ) = i 4 p s l ( f - f o + p s l ( 厂+ ) 】+ 1 叩( f - f 2 ) + p s 2q - q 嘭 ( 2 5 ) 其中雨，咫：为& ，s 2 ( t ) 的功率谱密度，f s k 信号的频谱带宽近似为 胤= 2 f i + l f 2 一f l i ，庐是基带信号的带宽，相对a s k 和p s k 信号，f s k 信号所 占用频带较宽，频带利用率低，主要应用在一些低速数据传输场合。2 f s k 功率 谱密度的特点有，2 f s k 信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成，离散谱出 现在厂- 和厂z 位置，功率谱密度中的连续谱部分一般出现双峰。若两个载频之差 i 一f 2 i ，则出现单峰。 当前f s k 广泛用于窄带通信系统中，特别是那些用语传输数据的移动无线 电台中。f s k 信号在载波频率发生变化时载波的相位一般是不连续的，相位不 连续会使信号的功率谱扩展，旁瓣增大，对相邻信道的信号形成干扰，最小频 移键控( m s k ) 是对f s k 的改进。 西华大学硕士学位论文 2 2 3 相移键控【1 i n i r l l 相移键控( p s k ) 是利用二进制数字信号控制载波的相位变化来传递信息 的调制方式，是扩频系统中最常用的一种调制方式，也是和扩频技术结合最紧 密的调制方式。本节将讨论二进制相移键控( b p s k ) 和四进制相移键控( q p s k ) 。 ( 1 ) 二进制相移键控( b p s k ) 二进制相移键控( b p s k ) 方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一 种数字调制方式。在b p s k 信号中，用二进制的数字0 和1 分别来控制载波相 位为0 和石，或者+ 号和吾。 b p s k 的时域表达式为： s b p s k ( f ) = a ng ( f 一行t s ) c o s c t ( 2 6 ) 其中a n 为双极性型号，当为+ 1 时候概率为p ；当为1 时候概率为( 1 p ) 。 由式2 6 中可看出b p s k 和a s k 的表达式相同，只是a s k 中的a n 为单极性信 号，而b p s k 中的a n 为双极性信号。b p s k 的调制原理图如图2 6 ： 开关门电路 调信号 f i g2 6b p s km o d u l a t i o n as c h e m a t i c 图2 6b p s k 的调制原理图 b p s k 调制信号的时域波形图如图2 7 ：( 基带信号为二进制数字信号 0 1 0 0 1 0 1 1 ) 1 2 西华大学硕士学位论文 f i g2 7b p s kt i m ew a v e f o r l n 图2 7b p s k 时域波形图 b p s k 信号的功率谱与a s k 信号的相似，只是在a s k 信号的频谱中含有载波 分量，而当b p s k 信号中的a n 出现+ l 或一1 的概率相等时频谱中不含有载波分量， 所以b p s k 信号是抑制载波的双边带信号。其功率谱密度为： 1 ，i- ， p b p s k ( c o ) = r i g ( c o + 0 3 c ) l + i g ( c o c o c ) l 】 ( 2 7 ) | ( 2 ) 四进制相移键控( q p s k ) 前面我们讨论了各种二进制数字调制方式的基本原理，二进制调制的频谱 利用率低，在实际的移动通信系统中，为了提高信号频谱的利用率，一般采用 四相相移键控( q p s k ) 方式或者称为正交相移键控方式。四相相移键控调制利 用载波的四种不同的相位来表示数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特 信息，故每个四码元又被称为双比特码元。一般把组成双比特码元的前一个信 息比特用a 代表，后一信息比特用b 代表。双比特码元中两个信息比特a b 通常 按格雷码排列的，他与载波相位关系有：o o ，0 1 ，1 0 ，1 1 相对的相位有o ，芝， 万和号，或者丑4 ，专，5 4 n 利7 4 x 。q p s k 信号也可以看成是抑制载波的双边带调 制信号。在码元速率相同时，q p s k 与b p s k 的带宽相同，信息速率是二进制 调制信号的两倍，频带利用率也是b p s k 信号的两倍，但是相应的误码率也随 之增加了。q p s k 信号的时域表达式可以表示为： 西华大学硕士学位论文 s q p s k ( f ) = g ( t 一力t o c 。s ( 州+ 9 七) 由三角函数变化上式可写成： ( 2 8 ) s q p s k ( f ) = i ( t ) c o s ( o c t + q ( t ) s i n ( o c t ( 2 9 ) 其中哟是同相支路信号，鳓是正交支路信号。其原理图如图2 8 ： b f i g2 8q p ，s km o d u l a t i o n as c h e m a t i c 图2 8q p s k 的调制原理图 此种方法成为调相法产生q p s k 信号，如图串并变换器将输入的二进制序 列依次分成两个并行的双极性序列。 q p s k 调制信号的时域波形图如图2 9 ：( 基带信号为二进制数字信号 】0 0 0 0 1 1 】) 1 4 西华大学硕士学位论文 f i g2 9 q p s kt i m ew a v e f o r m 图2 9 q p s k 时域波形图 目前q p s k 已经广泛应用于c d m a 移动通信系统，如i s - 9 5 ，c d m a 2 0 0 01 x 系统，此外，q p s k 在卫星通信中也得n t 广泛应用。 2 3 本章小结 本章主要介绍了模拟调制系统和数字调制系统的基本理论，重点在于数字 调制系统理论的介绍。首先简单介绍了模拟调制的基本理论其中包括幅度调制 和角度调制，其后重点介绍了数字调制系统的基本原理。这包括振幅键控 ( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 的基本原理和表达方式，并给 出他们时域的波形图，也分别介绍了各自的优点和缺点还有目前的应用情况， 重点讲述了2 f s k 和q p s k 的调制的一些基本理论和实现方法。 1 5 西华大学硕士学位论文 3 系统总体构建 本课题的目标是研究和设计一个简单、便携用于实验的软件无线电平台， 主要用于数字调制系统的实现，该平台具有速度快，功耗低，成本小等特点。 本章主要介绍了此数字调制平台的总体设计思路和方案，重点介绍了现实本平 台的各个模块以及相应的器件。 3 1 数字调制系统整体分析 本系统主要目的是设计一个软件无线电平台用于实现数字调制算法，因此 可以分为信号采集模块、信号处理处理模块、已调信号的处理模块几个部分。 其核心部分为信号处理模块即实现各种数字调制的算法，我们选取1 1 公司的数 字信号处理器( d s p ) 芯片1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 作为核心处理器来实现。除此之外， 我们在信号采集模块和已调信号的处理模块均选用高速的模数转换器( a d c ) 和数模转换器( d a c ) 来进行处理，还有进行一些逻辑控制的部分用c p l d 来 实现，还有一些存储器件包括s r a m 和f l a s h 。如图3 1 是系统的整体方案： 扣1 鬯竺卜一 c p l dd s p d s p 坚f 下面下一 f i g3 1s y s t e mf r a n e w o r k 图3 1 系统的设计框图 系统信号处理的过程如下：首先，由d s p 启动对数据的采样，发送控制信 号到c p l d ，控制信号主要由开始采集、采集出错、采集完成等几个状态组成。 1 6 西华大学硕士学位论文 c p l d 一旦接收到开始采集信号，就立刻向a d c 转换器发送采集控制信号，启 动a d c 转换。为了实现s r a m 中数据地址的同步，将a d c 转换的数字信号 送往c p l d 进行缓冲，然后送s r a m 供d s p 读取。d s p 通过查询和中断方式， 监控c p l d 发出的中断信号告之d s p 已经进行数据采集，一旦接收到c p l d 发 出的中断信号，c p l d 启动读取信息检测器并进行判断，如果此时采集的数据 正确，c p l d 继续进行采集，如果数据出现错误，c p l d 采集出现错误，重新读 取a d c 中数据，当数据采集完成后且均为正确数据后，c p l d 通知d s p 采集完 成，延迟一段时间后d s p 对s r a m 进行读取所有数据，然后d s p 根据算选的 相关数字调制算法对数据进行处理，处理完了以后，d s p 把数据存入s r a m 中。 d s p 告知c p l d 已经完成数字调制过程，此时c p l d 把从s r a m 中把已调信号 进行读取然后再发送给d a c 转换器进行外部输出。本系统用d s p 的x f 引脚控 制对c p l d 进行控制，当x f = 1 时候则进行前端信号采集处理功能；当x f = 0 时则进行后端已调信号处理功能，c p l d 则对a d c 、d a c 提供选通和时钟信 号。 本系统的各个模块的功能如下： 前端的信号采集模块：此模块主要由a d c 转换器组成，将采集来的模拟信 号转换成数字信号。 逻辑控制模块：此模块主要由c p l d 的构成，他的作用有为a d c 、d a c 信号的时钟和控制信号，为s r a m 的数据地址总线控制和读写信号控制信号， 并提供数据缓冲、同步、检测和锁存功能，译码和地址分配功能。 数据存储模块：使用外扩存储器s r a m 存储c p l d 采集的数据功能，存储 d s p 处理后的数据。 数字信号处理模块：此模块由d s p 和外围的相关电路构成，是整个数字调 制平台的核心部分，读取s r a m 里的基带信号进行数字调制处理，完成处理后， 将数据存入s r a m 中，并给c p l d 提供相应的控制信号。 已调信号处理模块：此模块主要由d a c 转换器构成，将c p l d 的发送的数 据进行数模转换。 1 7 西华大学硕士学位论文 3 2 系统器件的选择 本系统设计的目的在于开发速度快、稳定性好、体积小、成本低的软件无 线电系统。所以在满足系统要求的前提下，在器件选择方面，应尽可能地减少 系统资源的冗余，提高系统的集成度。 3 2 1d s p 芯片的选型 数字信号处j 里器( d s p ) 不仅具有高速运算和控制能力，而且根据实时数字信 号处理的特点。针对于本系统来说，d s p 选用了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ， 它采用增强型哈佛结构，片内共有8 条总线( 1 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线) ，具有功耗小，高度并行等优点【3 1 1 。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的工作速度 可以达到1 6 0 m i p s ，它的主要特性有： ( 1 ) 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括1 个4 0 位桶形移位寄存器和2 个独立的4 0 位累加器。 ( 2 ) 1 7 位x 1 7 位的并行乘法器，与4 0 位专用加法器相连，用于非流水线 式单周期乘法累加( m a c ) 运算。 ( 3 ) 比较选择存储单元( c s s u ) ，用于比较加法选择。 ( 4 ) 指数编码器，可以在单个周期内计算4 0 位累加器中数值的指数。 ( 5 ) 双地址生成器，包括8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术运算单元 ( a r a u ) 。 ( 6 ) 最大可达8 m 字的外围可扩展程序空间。 ( 7 ) 1 2 8 k 字的片内r o m 。 ( 8 ) 1 6 k 字的可双寻址片内删( d a r a m ) 。 ( 9 ) 单指令重复和块指令重复操作。 ( 1 0 ) 块存储器传送指令。 ( 1 1 ) 3 2 位长操作数指令。 ( 1 2 ) 能并行存储和并行加载的算术指令。 ( 1 3 ) 条件存储指令。 本系统采用的v c 5 4 1 6 单指令周期达6 2 5 n s ( 1 6 0 m i p s ) ，软件可编程锁相环 1 8 西华大学硕上学位论文 在c p u 不工作时，降低时钟频率，从而可降低功耗，而正常工作时，又可很快 提升时钟频率；软件可以利用空闲指令( i d l e l 、i d l e 2 和i d l e 3 )