（电路与系统专业论文）基于FPGA的DQPSK调制解调器研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 本课题对d q p s k 调制解调技术的f p g a 实现进行了比较全面的研究，利用 d q p s k 调制技术实现了码速2 0 0 k b p s 的调制器。调制载频3 2 m h z 、带宽1 8 0 k h z 、 带外抑制大于4 5 d b ，调制器设计达到预定要求。解调器硬件完成，软件未全部实 现，但完成了c i c 滤波器、载波跟踪环、位定时同步、并串转换等几个关键模块 的设计。对解调器做了实验测试，验证了相关模块设计的正确性，解调器中重要 的载波同步功能已能实现。 在本文中，主要介绍了d q p s k 调制解调技术的f p g a 实现。着重对差分编解 码、成形滤波器、c o s t a s 载波跟踪环以及c i c 滤波器进行了详细叙述，对硬件设 计则做了简要的说明，给出了主要电路图和实物图。 口 在重要设计环节上，文中进行了比较细致的m a t l a b 仿真及s y s t e m e w 仿真， 并给出了相关分析与说明。最后，采用v h d l 硬件描述语言对系统进行了设计与 实现。文中对位定时同步以及c i c 滤波器的可变速设计做了创新与改进。 关键词：d q p s k ，f p g a ，载波同步，仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp r o j e c ts t u d i e st h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no fd i f f e r e n t i a l l ye n c o d e d q u a d r a t ep h a s es h i f tk e y i n gt e c h n o l o g yb a s eo nf p g a ，b yu s i n gd q p s kd i g i t a l m o d u l a t i o nm e t h o dt or e a l i z ed i g i t a ls i g n a lt r a n s m i s s i o n t h eb i tr a t ea r r i v e s2 0 0 k b p s a n dt h ec a r r i e rw a v ef r e q u e n c yi s3 2m h z , b a n d w i d t h1 8 0k h z , o u tb a n ds u p p r e s s i o n e x c e s s4 5 d b m o d u l a t o rd e s i g nr e q u i r e m e n t sa c h i e v e d d e m o d u l a t o rh a sn o tf u l l y r e a l i z e d b u tt h ep r o j e c th a sa c c o m p l i s h e dt h ec i cf i l t e r , c a r r i e rt r a c k i n gl o o p s ，b i t s y n c h r o n i z a t i o na n ds e v e r a li m p o r t a n tb l o c k s s o m ee x p e r i m e n t ss h o wt h er e l e v a n t d e s i g ni sc o r r e c t t h ec a l t i e rs y n c h r o n i z a t i o nf u n c t i o n a lo fd e m o d u l a t o rh a sb e e na b l e t oa c h i e v e t h ep a p e rm a i n l yi n 打o d u c e st h er e a l i z a t i o nm e t h o do f t h ed q 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 nt e c h n i q u e sb a s eo nf p g a s p e c i a l l yd i s c u s st h ed i f f e r e n t i a l l yc o d e da n d e n c o d e ，t h ep u l s es h a p i n gf i l t e r , t h ec a s c a d ei n t e g r a t o rc o m bf i l t e ra n dc o s t a sc a r d e r t r a c k i n gl o o p ，e r e t h e nb r i e f l ys h o w s t h em a i nc i r c u i ts c h e m a t i cd e s i g na n do b j e c t p i c t u r e s o ne v e r yi m p o r t a n td e s i g np o i n t s ，t h ep a p e rd o e sc a r e f u l l ym a t l a bo rs y s t e mv i e w s i m u l a t i o na n dg i v e ni n t e r p r e t a t i o n s t h e nu s i n gt h ev h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ed e s i g na n d v e r i f i e st h es y s t e m a tl a s t , t h ep a p e ri n n o v a t et h eb i t s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da n di m p r o v e sc i cf i l t e rf o rv a r i a b l es p e e du s i n g k e yw o r d s ：d q p s k ，f p g a ，c a r r i e rw a v es y n c h r o n i z a t i o n ，s i m u l a t i o n 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。 二 签名： 盔 丕日期：扫7 年乡月厅日 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：轰麦 导师签名： 日期：泸一7 年么月础日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 人类通信的历史悠久而漫长，最远的通信可追溯到几千年前的古代。广义上， 通信是指任何通过传输媒质把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。入类通 信历史虽然久远，但是人类真正进入现代通信信息社会不过一百多年的历史l l 】。 以1 8 3 7 年发明莫尔斯电报为起点，人类社会才进入了以电波为通信手段的通信时 代。 现代通信技术融入了计算机技术、数字信号处理技术以及e d a 技术等多方 面成果，使通信这个领域发生了革命性的变化。现代通信技术和多种学科密切联 系，呈现出加速发展的态势，新的理论、新的观念不断提出并用于实践，因而通 信领域的研究一直十分活跃。在当代，光纤通信技术、卫星通信技术和移动通信 技术，已成为现代通信技术的三大主要发展方r 句t 2 1 。 数字通信相对模拟系统有成本低、功耗小、可靠性高等方面的优势，得到了 广泛的应用。数字调制技术作为通信领域中重要的一个方面，得到了迅速发展。 全数字调制解调器除了具有一般数字系统具有的高可靠性以外，还可兼容各类现 代调制与解调技术，并可以融合为一体，体现了灵活性和广泛的适应性，因而具 有极强的生命力，这也是近年来全数字解调器成为国内研究热点的一个原因。 在国内，数字调制解调器研究己有不少研究成果。如海尔集成电路设计有限 公司研制的符合d v b s 标准的卫星信道解码器h q p s k d v b 、西安电子科大的无 线局域网w l a n 、清华大学研制的可变码速调制解调器等。这些成果，打破了国 外的技术垄断，走出了自主研发的道路，为国家通信事业做出了积极的贡献。 现在，国家信息产业部对实现我国3 g 完全自主研制给予了很大的支持，以 大唐电信为代表的国内很多单位已很深入地展开了此方面的研究，我国自主研发 的t d s c d m a 标准得到国际公认后，其工程实现也迫在眉睫。数字化、自主研 发将成为我国3 g 时代的主要特征。 面对大好的发展形势，电子科大电子工程研究所对可适用于3 g 系统的射频 电路及数字基带处理器进行了积极的科研。针对3 g 系统更高的通信要求，制定 电子科技大学硕士学位论文 了长远的科研计划。其中之一就是实现一种全数字多制式、变码速基带处理器。 本文作为基带处理器的一部分内容，主要对d q p s k 调制解调技术在f p g a 上实 现进行研究，对其它类型以及改进类型的q p s k 调制技术将在后继课题中开展。 1 2d o p s k 调制技术与数字通信 q p s k 调制即是正交相移键控( q u a d r a t ep h a s es h i f tk e y i n g 简称q p s l 0 ，是 一种采用载波绝对相位传输信息的相位调制技术。它通常采用载波的o 三。三。 27 2 相位表示二进制数信息的1 1 ，0 1 ，0 0 ，1 0 或者用载波的三，坚，旦。二三表示1 1 ， 4444 0 l ，o o ，1 0 从而传递信息。 q p s k 调制是一种窄带线形调制，频谱利用率较高，并且一次可以传送2 个 符号，理论上q p s k 可工作于噪比为3 d b 的恶劣环境下，具有较强的抗干扰能力， 因此q p s k 调制在很多数字通信中得到了广泛的应用。 q p s k 解调技术可分为相干解调和非相干解调两类，采用相干解调时会比非 相干解调多3 d b 的增益，因此相干解调在要求较高的通信系统中应用较广。采用 相干解调时，解调器需要恢复参考载波，并要求参考载波的相位和频率与发送端 一致，但是要实现这一点比较困难。因为通常的解调器是采用锁相环恢复参考载 波的，当锁相环锁定时会出现多重相位模糊，这使得解调出的数据完全可能出现 0 、l 倒置的情况。这主要是由于q p s k 采用绝对载波相位来传递信息带来的问题， 它大大增加了解调器设计难度，成为q p s k 调制中很大的不足。 d q p s k 是在q p s k 基础上发展起来的一种调制技术。针对载波恢复时存在 相位模糊度的问题，d q p s k 调制是在发射方采用差分编码，即对原来的传递信 息码进行一次相对编码，利用载波相位的相对变化来表示传输信息。这样，接收 方就可以根据载波的相位相对变化来解调信号，从而避开了需要恢复出相位与频 率都要一致的载波问题，也就克服了o 、1 倒置的情况。因此实际使用的q p s k 调制多是差分编码调制的，即d q p s k 调制( d i f f e r e n t i a l l ye n c o d e dq u a d r a t ep h a s e s h i f tk e y i n g ，简称d q p s k ) 。 冒前，d q p s k 调制技术在数字通信中已有比较广泛的应用。对于d q p s k 无线数字通信，常见的接收机与发射机结构可用图1 - 1 及图1 2 结构表述。接收 机与发射机在结构上都可以分为射频前端、模拟中频、基带处理三部分。对接收 2 第一章绪论 机来说，射频前端和中频部分主要任务是把接收到的高频信号搬移到可以直接 a d 采样的中频上，然后由基带处理器完成d q p s k 信号解调工作。在目前的情况 下，a d 采样速度还不能做到很高，基带处理器的速度也不容易做到很高，因此 多数数字接收机还不能做到射频采样数字化的程度，都需要模拟系统来完成频率 搬移工作，把高频搬移到较低频率上以便基带处理器可以处理。因此，图1 1 、 图1 2 实际上是现在数字通信机一般结构。 d q p s k 数字发射机中，射频模拟部分是把基带处理器的输出信号经上变频 搬移到合适的频率上然后发送出去。 图1 - 1i ) q p s k 数字接收机示意图 图1 - 2d q p s k 数字发射机不意豳 图i - 1 与1 2 给出的是d q p s k 数字通信原理框图，实际上对于其它数字调制 通信，也可以按图中给出的结构来实现。例如现在的手机、无线局域网等也具有 这样的结构。现代数字通信越来越采用软件无线电的方式来处理信号1 3 】，不同调 制的信号可以通过更换软件的方式来达到调制与解调的目的，这就增加了发射机 与接收机的灵活性。软件无线电技术已被看成是3 g 及后3 g 时代的核心技术之一。 软件是灵活的，因而对数字通信的研究也就很灵活。 d q p s k 调制技术在q p s k 调制技术基础上发展起来，是应用比较早的技术 之一，现在已积累了很多成熟的研究。但在实际应用中，由于环境的复杂，新环 境、新情况不断出现，都需要寻找新的解决方案。因此，在q f s k 调制技术基础 上，到现在己发展出了许多新的调制技术，如o q p s k 、5 - ，4q p s k 等。我国 t d s c d m a 标准中也采用了q p s k 调制技术，在时分通信的情况下又会有新的 问题值得研究。可以说，对一种技术的研究要做到最好也就永无止尽。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本文所作的工作与内容安排 本文主要研究采用f p g a 实现d q p s k 基带数字信号的调制与解调问题。 设计目标： 实现d q p s k 调制与解调，码速2 0 0 k b p s ，调制载波3 2 m h z ，带宽15 0 k h z ， 带外抑制大于4 0 d b ，采用全数字实现。 本文所做工作： - 对d q p s k 调制解调算法进行了分析与仿真 _ 设计完成了d q p s k 调制解调器硬件样机 一在q u a r t u s i i 环境下完成了调制解调器的大部分设计，并对c i c 滤波器及 位定时同步做了改进与创新设计 一最后，对所设计的系统进行了相关实验测试与分析 文章内容安排： 第一章介绍本文的研究背景，课题的内容，以及本文所做的工作 一第二章介绍d q p s k 调制解调原理，并采用计算机仿真研究了调制与解调 的实现问题 _ 第三章讲述d q p s k 调制原理与设计实现，包括差分编码、成形滤波、数 字载波产生等内容 _ 第四章讲述d q p s k 解调原理与设计实现，主要有a d 采样、c i c 滤波器、 c o s t a s 载波跟踪环、位定时同步、差分解码等 一第五章讲述硬件样机设计，并对设计的调制解调器进行实验测试与分析 一第六章总结全文，提出进一步改进措施与进一步开展工作的建议 4 第二章d q p s k 信号调制与解调原理分析 第二章d q p s k 调制与解调原理分析 2 1d o p s k 信号特点 d q p s k 信号相比q p s k 信号，仅仅是载波相位所表示的信息不同，其它是一致 的，因此d o p s k 信号与o p s k 信号特点很多是相同的。在数字相位调制中，任意信 号的波形【4 1 可表示为： s a t ) = r e g ( t ) e 2 “m e 7 2 仍】 其中旷1 ，2 ，3 ，m ；0 f t ； 叫咖s 2 班+ 鲁( 埘一1 ) 1 = 肿) c o s 鲁_ 1 ) 】c o s 陬朋一g ( f ) s i i l 当沏_ 1 ) 】s i n 【2 硝明 ( 2 1 ) 上式中g ( o 为信号脉冲波形，可以是方波也可以是其它波形，对于本文所述则是 升余弦滚降滤波器的响应波形。( 2 1 ) 式中目= 2 万( 肌一d m为载波可能的m 个 相位，z 为载波频率，t 为一个码元周期。在t 时间内，这些信号应具有相同的 信号能量，即： e = j i r ，o ) 2 d f = i ir g ( f ) 2 d f = 寻g ( 2 2 ) 对( 2 1 ) 式可以把它分解为正交分量的形式：t i p 瓯= s 石+ 最正的形式。 其中： 若用向量形式表示最( f ) ：则最( f ) = 嗡，是】，于是( 2 一1 ) 式可进一步表示为： ： 融岳 仁 肛 电子科技大学硕士学位论文 岛= r 压c o s 吾棚，压s ；n 鲁c m d ， ( 2 - 4 ) 其中f f i = l ，2 ，3 ，m 上式即为任意相位调制信号的二维向量表示，对于q p s k 信号取m = 4 即可。 舻序坳棚争s c 乩z ，s ，a c z - s ， 式中坟为单位时间0 f 乏内的符号能量，敛为载波角频率，霉为符 号持续时间。原理上q p s k 信号可以看成是两个正交载波进行多电平双边带调制后 所得信号的叠加，因此可以用正交调制的方法得到q p s k 信号，如图2 1 所示。对 于差分调制，图中仅是多了差分编码，即把信道编码的输出再进行一次差分编码 即可。 信 道 编 码 图2 - 1q p s k 正交调制原理 p，” 、八 l7 l肜r _ fi s 0 d 跳变1 fi，1j f j 9 0 0 跳变 f，、11 v ， 图2 - 2 无限带宽时的o y s k 信号 6 第二章d q p s k 信号调制与解调原理分析 图2 - 2 给出了无限带宽时的q p s k 信号波形，通信信息是通过载波相位跳变传 递的。q p s k 信号在相位跳变时会产生频谱扩散，在带限情况下由于扩散的频谱分 量被抑制，因此跳变点出现包络凹陷。为清楚起见通常用星座图表示q p s k 信号， 一 ： 有两种表示方式：一种以载波相位的o ，鲁，石，三筇表示携带的信息，如图2 - 3 a 所 zz 示；另一种可由载波相位的三，3 - y ，莩，竿表示携带的信息，如图2 3 b 所示。 斗辱耳珥 根据星座图，可以计算出理想情况下q p s k 可以容忍的最大信噪比。设图中箭号表 示叠加在信号矢量上的噪声，在不发生符号混叠的情况下，噪声矢量为图中圆内 部所在范围，因此可计算出最大容忍信嗓比。 a o o 图 o l i l l l o b 图 ，t 厂 、厂 a ， ， ，。( 、， ) 。 r1 。 图2 - 3o p s k 星座图 q 一 詈= 2 0 1 9 ( 4 2 ) * 3 o l d b j v 同样的方法可以算出b p s k 为o d b ，8 p s k 为6 0 2 d b 。由此可以知道q p s k 信号 的抗干扰能力是比较强的。b p s k 最强因而在星际通信中经常被采用，但是q p s k 一次可以传递2 个符号，同样码速情况下传递的信息量是b p s k 的2 倍，这也是 q p s k 在许多环境中得到广泛应用的一个原因。 此外考虑误码率，对于d q p s k 调制由于是相对调制，因此有一个误码就会引 起相邻码出现错误，即误码增值。因此相同条件下d q p s k 比q p s k 误码率高些，图 2 _ 4 给出了d q p s k 与q p s k 误码率比较。 另一方面考虑q p s k 信号的功率谱密度分布，可由( 2 6 ) 式给出。式中点0 为比特能量，z 为载波频率，乏为比特周期。 铀砜k 篙驽斧2 + 暖船2 ， 协。， 7 电子科技大学硕士学位论文 s r r q ( d b ) 图2 4q p s k 与d q p s k 误码率比较 图2 - 5q p s k 信号的功率谱 绘出( 2 6 ) 式的频谱，如图2 5 所示。可知q p s k 信号是频谱比较宽的信号。 实际的数字通信系统，都需要考虑频带节约对带外进行抑制，因此图2 - 1 中给出 了成形滤波器，以抑制频谱扩展，成形滤波器还有抑制码间串扰的作用。 2 2 差分编码与解码原理 数字相位调制中，若信号以绝对相位来表示携带信息的0 和1 ，则接收机中 就需要恢复出一个与发送端相位和频率完全一样的参考载波以便实现正确的解 调。但这个参考载波很难做到同频同相，因此接收机容易出现信息的0 ，1 倒置的 情况。这个问题的解决可以通过差分编码来实现，差分编码的结果是把绝对相位 调制变成相对相位调制，利用载波相位的相对跳变来表示传递信息，这样一来即 8 畚一亿劫嚣螨嚣 第二章d q p s k 信号调制与解调原理分析 使载波恢复时出现相位模糊也不会影响正确解调。 在b p s k 调制中是把载波相位的o 和7 分别表示信息0 和l ，接收机要正确解 调该信息就需要恢复出一个与发送端同频同相的参考载波。接收机中恢复出同频 载波比较容易，但要做到同相就比较困难，一旦参考载波出现相位反转1 8 0 0 ，解 调的信息就出现0 ，1 倒置。采用差分编码后可以克服这个问题。差分b p s k 调制 可以用图2 6 表示。采用异或逻辑完成差分编码和解码，即把上一次的输出结果 和本次输入求异或得到本次输出，它以相对码的形式传送信息，这样即使参考载 波出现反转1 8 矿的情况也能实现信息的正确传送。 异或 异或 啊乇p a ，差分b p s k 编码 b ，差分b p s k 译码 图2 - 6d b p s k 调制编码与解码原理 q p s k 调制也有载波恢复的难题，并且情况更复杂一些，但同样可以采用类似 办法解决。在q p s k 调制中差分编码有多种，常用的有自然差分编码和格雷( g r a y ) 差分编码。由于q p s k 调制每次传递2 个符号，因此有4 种相位状态，而差分编码 是相对上一次状态的编码，本次输出也是4 种状态，因此差分编码可能的状态共 有1 6 种。对图2 1 所示正交方式实现的q p s k 调制，采用格雷差分编码可以归纳 为如下两种情况： 若上次输出满足屹1o q 乞1 一- - - 0 ，则此次输出为： j 匕= 器。a ( 2 7 ) 【线= 璐。线 若上次输出满足圪1o q 譬一l ，则此次输出为： f l = 线。搿 1 线= 咒。线1 ( 2 - 8 ) 式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 中，o 表示异或运算，匕表示i 路此次输出，圪1 表示i 路上一次输出，其余类似。经过以上规则的对应，q p s k 调制就转变成d q p s k 调制。 9 电子科技大学硕士学位论文 由式( 2 - 7 ) 和( 2 - 8 ) 给出的编码关系可以发现格雷差分编码用硬件描述语言( v h s i c h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，简称v h d l ) 【5 1 是容易实现的。这也是本文设 计中采用的方法。 从另外一个角度来看，若把格雷差分编码中的输入做符号对应： o o 一0 ，0 1 1 ，1 1 2 ，1 0 3 这样一来，格雷差分编码过程就可以看成是一个做模4 的加法运算。即把上 一次的结果与本次的输入先做符号对应，然后再做模4 加法运算，得到的结果就 是本次的输出。可表示为图2 - 7 a 所示结构。对于自然差分编码只要把符号对应 规则修改一下变为： o o 一0 ，0 1 1 ，l l 一3 ，1 0 2 这就实现了自然差分编码。这一概念其实是把二进制差分编码的概念推广到 多进制。在d b p s k 中异或运算其实就是模2 加法运算，对应的d q p s k 就是模4 加 法运算。 模4 加 一一 a ，差分q p s k 编码 b ，差分q p s k 译码 图2 - 7d q p s k 调制编码与解码原理 q p s k 差分编码的解码可按减法原理来获得。图2 7 b 给出了模4 减法实现的 差分解码运算原理，证明如下。 对于接收端输入即是发送端输出因此有 z k 一。= z n 。- i 。+ z 一。( r o o d 4 ) = x , k 一。 ( 发送端输出) 由图2 - 7 b 原理得到： 群。一。= 以m m 一盐一m ( m o d 4 ) = x 删一x 蒯n - 1 - 删( r o o d 4 ) = 工乙。+ 4 一。j ：舄。， ( m o d 4 ) ( 2 9 ) 1 0 第二章d q p s k 信号调制与解调原理分析 这就是q p s k 的差分解码，在图2 6 b 中d b p s k 解码就是模2 减法运算。另夕 一种q p s k 解差分解码方案可以从d b p s k 调制与解调原理得到。若把d q p s k 中i 、 q 支路看成独立的d b p s k 调制，这样用二进制差分解码运算同样可以实现d q p s k 的差分解码。 2 3 调制与解调算法仿真 为使原理清楚对q p s k 调制与解调进行了仿真。数字系统设计往往比较复杂， 仿真可以在系统级层次给出验证，从而避免了设计的盲目性。s y s t e mv i e w 是功 能强大的现代工程与科学系统设计及仿真分析平t 6 1 。从滤波器设计、信号处理、 完整通信系统设计与仿真，直到一般系统数学模型建立等，各个领域都能适用。 该软件平台不仅适合数字通信系统和模拟通信系统，而且数字与模拟混合系统也 支持。还提供与m a t l a b 及c 、c + + 、v i s u a lc + + 等接口，因此灵活性很强。自2 0 0 2 年e l a n i x 公司发布5 ，0 版本以来，该仿真软件的功能得到了极大的提升，并可支 持t i 的d s p 、x i l i n x 的f p g a 开发，在仿真正确后可以调用内嵌的工具包即可生 成对应的源代码。该软件提供免费试用版，试用版有使用期限的限制，其它功能 没用过多限制，因此试用版对完成本文的算法仿真已经足够。 图2 8 为q p s k 调制与解调仿真原理图，作为本文设计的顶层原理验证方案。 图中0 是码速为2 4 k b p s 的随机信号源，3 9 为串并转换器，串行数据流经3 9 后 分成两路码速减半的数据流速度为1 2 k b p s ，在7 、8 乘法器和2 4 产生的正交载 波相乘在2 5 相加后形成调制载波，为模拟信道干扰加入了高斯白噪声模块2 6 。9 、 1 0 、1 1 构成正交解调，1 5 ，2 3 对i 、q 两个支路的信号进行低通滤波得到i 、q 基带信号，在4 3 解调模块作用下实现解调，之后在4 8 并串转换得到解调数据。 图2 - 8o p s k 调制与解调原理仿真 电子科技大学硕士学位论文 仿真中调制器没有加入成形滤波器，因此调制信号的频谱会比较宽。图2 - 9 是 i 路解调后的基带信号波形。在信道中加入了高斯白噪声信号源以模拟信道干扰。 干扰加入后可以通过眼图来观察这一影响。图2 1 0 是解调器输出的眼图。眼图是 基带信号在示波器屏幕上的叠加，当示波器扫描周期为码元持续时间的整倍数时 就可出现稳定的眼图，因看起来像人的眼睛，所以称为眼图。无串扰时，眼图是 轮廓清晰的线。窜扰严重时，轮廓变厚眼图张开的程度减小。若抽样判决时刻在 图2 1 0 中所示位置，即眼图中张开最大位置，则系统将有最大的噪声容限，这需 要在解调器中设计位定时同步器来实现。 图2 - 9i 路解调信号仿真波形 图2 1 0q p s k 眼图 通过仿真确立了完整的调制解调器设计方案为下一步工作提供参考，指明方 向。图2 - 8 中，仿真模块2 4 与9 是同频同相的信号源，原理上简化了载波恢复这 个重要的环节。同步是解调器中最难的部分，也是重要的部分，解调器的很多重 要功能都建立在同步基础之上的。 2 4f p g a 实现方案 根据对d q p s k 调制与解调原理的分析，设计了采用f p g a 实现的方案，整体实 现原理如图2 1 l 所示。方案中将调制器和解调器做在同一个f p g a 内，以便缩小 1 2 第二章d q p s k 信号调制与解调原理分析 体积。f p g a 外围是时钟源以及高速a d d a 。调制器输出接高速d a 以实现数模转换， 解调器的输入采用高速a d 实现信号的采样。 考虑未来进一步设计时，需要解调的信号是衰落信号，信号会出现强弱起伏波 动，但输入a d 转换器的信号大小要稳定在某个幅度范围内才有足够的分辨力，因 此设计了可变增益放大器( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ) 。初步考虑可控制增益范 围为4 0 d b 。这个设计可以为进一步考虑无线通信时的调制与解调提供验证平台。 此外，考虑将来功能的扩展，比如变码速设计等。在外围电路上设计键盘和显 示器以及预置键等。首先考虑0 - 9 数字输入以及清除、确认这些功能。因此设计 1 2 个按键。再考虑到可将简单数字显示出来，设计4 位l e d 数码显示器。 整个设计的工作顺序为：首先完成调制器设计，然后进行实验调试，让调制器 正常工作后设计解调器，利用调制器产生的信号调试解调器，通过调试、修改等 办法最终完成整个设计。 回，- 茜苗 l 预置控制键ii 键盘 i 图2 一l l 调制与解调的f p g a 实现方案 电子科技大学硕士学位论文 第三章d q p s k 信号调制 根据第二章的分析，确定了调制解调器的结构后，按图2 - 8 信号流程对调制 器与解调器进行设计，即把图2 8 中的模块工程实现。 3 。1 串并转换 该模块完成的功能是：把串行输入数据转换成码速减半的并行i 、q 两路输出 数据。具体而言即是将输入序号为奇数的码元分到i 路，偶数序号的码元分到q 路，i 、q 两路输出的数据在参考时钟下要同时有效。 在q u a r u s i i 开发环境下对该模块进行了设计。思路如下：采用寄存器作缓冲 输出。首先，把串行输入数据的奇数序号码元存储起来，并延时一个码元时间； 在下一个码元( 偶数序号) 到来时刻，同时更新i 路和q 路输出寄存器。即把先 前输入的码元分配给i 路，此刻输入的码元分配给q 路。其时序仿真见图3 - 1 。 图3 1 串并转换时序仿真 图3 1 中串行数据从s i n 输入，c l k 上升沿有效。i k 、q k 分别为i 路和q 路 输出，c l k _ o u t 为输出数据的参考时钟，下降沿有效。在图3 1 中串行输入数据 从复位信号r e s e t 置低后( 第1 2 纳秒位置开始) 为：0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 i 路输出为：001 1 100 q 路输出为：001 1 1 10 在c l k _ o u t 下降沿时刻i 、q 两路数据有效，c l k _ o u t 时钟比串行数据速度低 一倍，把i 、q 两路数据交错合并起来刚好是s - i n 输入信号，这表明输出的数据 是符合要求的。 1 4 第三章d q p s k 信号调制 3 2 差分编码 本文采用格雷差分编码方法。按( 2 7 ) 和( 2 - 8 ) 式对串并转换的数据进行 编码。利用寄存器把每次i 、q 两路上一次输出的数据储存下来，然后判断i 路与 q 路数据的异或值是0 还是l 。根据编码规则：如果为0 则执行( 2 7 ) 式的运算 得出本次的输出，如果为l 就执行( 2 - 8 ) 式的运算得出本次的输出。 可计算出差分输出可能的情况，差分编码的本次输出和上一次输出有关，也 和本次的输入有关。而每次是两个码元，因此每次输出和4 个码元是相关的，共 有1 6 种可能状态，见表3 - 1 ，这里给出4 种。 采用v h d l 语言实现该模块后，图3 - 2 给出了时序仿真图。i t k 、q q k 分别为i 路和q 路输入，i _ o u t 、q _ o u t 为i 路和q 路差分编码的输出，时钟c l k 上升沿有 效。r e s e t 为复位信号，复位结束后差分编码开始，每次c l k 时钟的上升沿就输 出差分编码的结果。 可以看到输出是按( 2 7 ) 式和( 2 8 ) 式规则的。例如；连续输入0 时，此 时差分编码按( 2 - 7 ) 式运算，i 路和q 路都不会产生相位跳变，因此调制输出也 不会出现相位跳变i 、o 两路都输出为0 。当连续输入1 时，调制输出信号在每个 码元间隔就会跳变一次，这个和图中的仿真一致。 表3 1 差分编码输入输出对应表 ，三线1 2醯匕既 o0 0000 0l0l iol0 llll 01 10 ll 按第二章分析，此模块还可以按模4 加法运算来实现。在图 7 a 中给出了 按模4 加法实现的调制原理，其中的z 1 用寄存器即可实现。采用差分编码后，相 位的相对跳变表示传送码的信息，具体见表3 - 2 。根据相位的相对跳变，解调器 可正确解调出对应信息。使用差分编码时需要注意，差分编码是相对编码，因此 第一个数据只起参考作用，对信号解调来说一个数据是无法确定传送信息的。 电子科技大学硕士学位论文 表3 - 2 差分编码与相对相位跳变对应关系 i 、q 输入数据 相对相位跳变 i 路q 路 由 0oo o 0 l9 0 0 ll1 8 0 0 l02 7 0 0 3 3 成形滤波器 图3 - 2 差分编码时序仿真 升余弦滚降滤波器在移动通信中使用最为普遍的脉冲成形滤波器。成形滤波器 主要的作用是抑制信号的带宽，同时降低码间干扰。升余弦滚降滤波器阴的特性 满足奈奎斯特准则，其传递函数为： h ( n = ，二i ，i 、o i ，i ( 1 一口) 2 z l 1 + c o s 掣0 垮。一三鬻ii 翳懈协， v 7 l ，j 式中口为滚降系数，取值范围( 0 ，1 ) ，乃为码元持续时间。不同的滚降系数 对应不同的特性。滚降系数t 2 取值越大带内越平坦，但是占用频带越宽；口取值 越小带内波动越大，但是频带越窄。图3 3 给出了不同滚降因子对成形滤波器的 影响对比。采用成形滤波器后调锖4 信号的能量都集中在成形滤波器限制的频带内。 在通信系统中一般取0 2 5 0 6 之间。本文中取口= o 5 ，d q p s k 数据流的速度 是r 。= 200 kb p j ，因此信号的带宽为： 1 6 第三章d q p s k 信号调制 口，= 争( 1 + 口) = l 50k h ： d w p 。 u 一 。，、- - 衰4 v o 时 图3 - 3 不同滚降系数成形滤波器幅频响应与冲击响应图 一般调制与解调器中把升余弦滚降滤波器分解为两个部分，一个在调制端，一 个在发送端，即：日( d = 甄( 力。并且为了设计方便，令( 门= 皿( 力， 把磁( d 用在调制端，岛用在解调端。这其实就是最佳接收机理论中的最佳 匹配接收，根升余弦滚降滤波器保证了信号在传输过程中对干扰的最大抑制，因 而有最大的信噪比。把日( d 开平方后得到平方根升余弦滚降滤波器递函数： 扫丽= c o s c 卺 一等，。叫。第_ 输入= 输出) 2 0 o o0 = 00 9 9 5 0 1 1 2 2 4 01 = 03 2 7 6 7 1 0 0 0 0 0 0 0 xx = xx ： 清楚t b l 文件的格式后就可以在m a t l a b 中读取该文件的数据，利用m a t l a b 绘图函数绘制出模拟波形。以下假定生成的t b l 文件在d 驱动器根目录上，文件 名为n c o - s i m t b l 主要的m a t l a b 程序编写如下： f i d = f o p e n ( d ：n c o _ s i m t b l ，r ) ：( 读取t b l 文件) d a t a = f s c a n f ( f i d ，s ) ；( 把t b l 文件内容传给变量d a t a ) f c l o s e ( f i d ) ： b = f i n d ( d a t a = = = ) ：( 把d a t a 中“= ”字符传给b ) n u m b e r = l e n g t h ( b ) ： c _ c = 1 ，n u m b e r ：j = o ： f o ri = l ：n u m b e r 一1 ( 读取仿真数据) i fd a t a ( b ( i ) - i ) = = 0 j = j + l ：c ( j ，1 ) = d a t a ( b ( i ) + 1 ) ：cc ( j ，2 ) = d a t a ( b ( i ) + 2 ) ： e n d ： e n d ： 2 4 第三章d q p s k 信号调制 d _ c = h e x 2 d e c ( c _ c ) ：；( 把十六迸制转交为十迸制) h o l do n ；s u b p l o t ( 2 ，1 ，1 ) ：s t e m ( i ，d _ c ，g ) ： a x i s ( 0 ，8 , p i ，一2 1 6 ，2 1 1 6 ) ：t i t l e ( q 路载波波形) ； h o l do n ；s u b p l o t ( 2 ，1 ，1 ) ：s t a i r s ( i ，d _ c ，1 - ) ： a x i s ( 0 ，8 p i ，一2 1 6 ，2 4 1 6 ) ： x 1 0 4q 路载波波形 疗乃 一疗力 ，疗乃 一疗乃 。 一w w w 一峪 o5 x1 0 4 1 0 1 5 ，路载波波形 h 一订n一秆h一订h f 乩p、乩p、乩po 炉 o51 01 5 图3 一1 4 采用m a t l a b 绘制出的q u a r t u s 仿真波形( 模拟方式) 利用m a t l a b2 t 2 具把仿真波形显示出来后就比较清楚地了解数字载波的情况， 便于修改和设计。图3 1 4 是k a t l a b 绘出的数字载波。 图3 1 5 经d a 转换输出的数字载波( 3 2 1 v l h z ) 第三章d q p s k 信号调制 i fd a t a _ i n ( 1 1 ) = 0 t h e n d a t ao u t 2 厶。在本设计中d q p s k 信号中心频率为3 2 m l t z ，理论带宽 1 5 0 k h z ，使用2 5 6 m h z 的a d 采样，可见其速度已是很高的过采样。 ，( f ) 4 ( f ) y ( f ) 图4 - 2a d 采样与频谱 图4 - 2 中采样后输出： y ( n t s ) = f ( n t s ) s ( t - n t s ) 进行f o u r i e r 变换得a d 采样输出信号频谱： y ( c a ) = 【f ( ) 磊( 珊) 】 二石 = 去量脚一慨， ( 4 - 1 ) ( 4 - 2 ) 由( 4 2 ) 式频谱函数可知，如果信号的频谱是带限的吼= ( 五，厶) ，则采样 后输出频谱将以采样频率做周期延拓，图4 2 右图为( 4 2 ) 式示意图。这说明 2 9 电子科技大学硕士学位论文 a d 采样不仅仅是把模拟信号离散数字化，而且采样还使输出信号中包含了大量的 周期延拓的频谱分型1 3 j 。当采样速度越高时，周期延拓后的频谱之间距离越远， 所以采样速度越高对设计滤波器而言，过渡带可以越宽，要实现抗混叠所需要的 阶数就可以越小，这是有利的一面。另一方面，越高的采样率对滤波器处理速度 要求也会越高，这是不利的一面。 a d 采样的另外一种情况是欠采样。假定信号是调制在中频或者更高的某频率 上，此时直接a d 采样有较大困难。e h 于a d 速度不能达到正：1 r , 2 丘因而无 法满足两倍过采样的最低要求。考虑实际有用信号是带限的，落在蜀= ( 五，厶) 之 间，a d 采样的速度可以做到远远大于带宽瓦，此时欠采样也能达到采样目的。 利用带通采样技术“”，只要采样速度满足f ) 2 b 。即a d 采样速度大于信号带宽 的2 倍以上，但可以正厶。这种情况下仍旧可以实现对调制信号的正确抽样。 带通采样相对信号载频是欠采样，相对调制信号是过采样。与( 4 - 1 ) 、( 4 - 2 ) 分 析类似，可计算出采样后的频谱。a d 采样后输出的频谱仍旧是周期延拓的。可以 把原信号频谱搬移到零中频附近，在延拓的信号频谱中选择任意一部分做处理就 可以完成对调制信号的分析。因此这时的a d 采样不仅实现抽样和量化，同时还具 有数字下变频作用。应用带通a d 采样时要注意q p s k 信号的频谱是非对称性的， 一般a d 采样做数字下变频是把q p s k 信号搬移到靠近零频率附近，但不是搬移到 零频率上。如果搬移到零中频，频谱将出现混叠，引起失真。此外带通采样还要 注意频谱搬移后的频谱反折问题 3 1 。 4 3 数字下变频与滤波器设计 4 3 1 数字下变频分析 数字下变频就是经过数字运算把输入信号进行频谱搬移的过程。本设计中下 变频部件包括n c o 、c i c 滤波器、匹配滤波器、复数乘法器等。主要完成对d q p s k 信号的正交解调从而得到数字基带信号。模拟通信系统中下变频比较常见，例如 超外差接收机，工作时混频器把接收到的高频信号和本机振