（通信与信息系统专业论文）数字化dpsk调制解调器的研究(1).pdf

堕2 ：鎏三些銮兰三耋翟：耋篓鎏耋 摘要 现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技 术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从最早的模拟调幅调 频技术的日臻完善，到现在数字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有 效和可靠。本论文主要讨论和仿真实现了基于f p g a 的数字化d p s k 调制解调 系统。论文对调制解调系统和f p g a 设计方法进行了相关研究，尤其是对 f p g a 设计中的一些非常重要的严格同步问题进行了研究。最后用a l t e r a 公司 的f p g a 开发平台q u a r t u s i i3 0 实现了一个对基带信号的d p s k 调制解调系统 模型的仿真。 论文首先介绍了调制解调技术的发展现状以及f p g a 的特点和设计流程， 并介绍了本论文的研究内容。然后介绍了论文所涉及的一些理论背景。主要是 调制解调系统的技术理论及算法，同时还介绍了用来实现这些算法模块的硬件 描述语言v e r i l o gh d l 和a l t e r a 公司的q u a r t u si i3 0 开发平台。接下来给 出了调制解调系统的总体设计和发射子系统与接收子系统的各个模块的功能分 析。发送部分主要有差分编码、p s k 调制等模块。接收部分主要有数字乘法 器、积分猝灭、差分译码、自动频率控制等模块。最后在q u a r t u si i 上实现了 系统模型，并进行了功能仿真和时序时延仿真，给出了仿真结果和结果分析。 论文最后总结了工作中遇到的问题和解决的办法。重点论述了f p g a 设计 中的严格同步问题。 关键词调制解调；d p s k ；f p g a ：q u a r t u s i i 堕堑鋈三些銮兰三主2 土兰堡篓兰 a b s t r a c t l o n gd i s t a n c e ，l a r g ec a p a b i l i t ya n dh i g hq u a l i t yo f t r a n s m i s s i o na r er e q u i r e di n m o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m 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 c hi so n eo ft h e m o s t k e yt e c h n i q u e si nc o m m u n i c a t i o n ，h a sb e e na l w a y sa ni m p o r t a n ta s p e c tp e o p l e r e s e a r c h f r o mt h eg r a d u a lp e r f e c t i o no f a n a l o ga m p l i t u d ea n d 丘e q u e n c ym o d u l a t i o n a tt h ee a r l i e s tt i m et ot h ew i d ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lm o d u l a t i o nn o w , i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nh a sb e c o m em o r ee f f e c t i v ea n dr e l i a b l e t h i st h e s i sp r i m a r i l yf o c u s e d o nt h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a n dt h e d e s i g n t e c h n i q u eo ff p g a e s p e c i a l l y , t h es t r i c ts y n c h r o n o u sw h i c hi si m p o r t a n ti nf p g a d e s i g nh a sb e e nd i s c u s s e dw h i l ed i s c u s s i n ga n ds i m u l a t i n gt h ed i g i t a l i z e dd p s k m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do ne p g a f i n a l l y , am o d e lo fd p s k m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e mw i t hb a s eb a n ds i g n a lh a sb e e ns i m u l a t e do n t h eb a s i so f a f p g a d e v e l o p m e n t p l a t f o r m q u a r t u s i i3 0d e v e l o p e d b y a l t e r a f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo f t h em o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e s i g np r o c e d u r eo ff p g a a n dt h er e s e a r c hc o n t e n ta l s ob e e ni n t r o d u c e d t h e ni ti n t r o d u c e ss o m eb a c k g r o u n d s r e l a t e dt ot h et h e o r y ，w h i c ha r em o s t l yc o n c e r n i n gt ot h et e c h n o l o g yo fd i f f e r e n t i a l e n c o d e ra n dd i f f e r e n t i a ld e m o d u l a t o r a tt h es a m e t i m e ，i ta l s og i v e sa no u t l i n eo ft h e d e s i g np l a t f o r m q u a r t u si i 3 0d e v e l o p e db ya l t e r aa n dt h ev e r i l o gh d l t h e ni t g i v e sa no v e r a l ld e s i g n o fm o d e ma n daf u n c t i o n a l a n a l y s i s t oe a c hm o d u l ei n t r a n s m i s s i o nu n i ta n dr e c e i v i n gu n i t t h et r a n s m i t t e ru n i ti sm a i n l yc o n s i s t e do ft h e d i 仃e r e n t i a le n c o d e ra n dp s km o d u l a t o ra n ds oo n t h er e c e i v e ru n i t m a i n l y c o n s i s t e do ft h ed i g i t a ld o w n c o n v e r t e r , i n t e g r a t i o na n dd u m pm o d u l e ，d i f f e r e n t i a l d e m o d u l a t o r , a n d a f cm o d u l e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt h er e s u l t i n ga n a l y s i si s g i v e na tl a s tw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no f as y s t e mm o d eb a s e do nq u a r t u si i3 0t o r e a l i z et h ef u n c t i o ns i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o no f t i m es e q u e n c ea n dt i m ed e l a y t h ep r o b l e m sa n dt h e i rs o l u t i o n si nt h ec o u r s eo fi m p l e m e n tt h ed e s i g na r e d e s c r i b e da tt h el a s tf o c u s i n go nt h es t r i c ts y n c h r o n i z a t i o ni nt h ef p g a k e y w o r d s m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，d p s k ，f p g a ，q u a r t u si i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好。作为其关键技 术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。从模拟调制到数字调 制，从二进制调制发展到多进制调制，虽然调制方式多种多样，但都是朝着使 通信系统更高速、更可靠的方向发展。一个系统的通信质量，很大程度上依赖 于所采用的调制方式。因此，对调制方式的研究，将直接决定着通信系统质量 的好坏【1 一。 随着超大规模集成电路的发展，尤其是微电子技术和计算机技术的迅猛发 展和广泛应用，数字化成为目前通信技术发展的趋势，它具有可靠性高，灵活 性强，易大规模集成等优点，同益受到重视。目前，数字化的手段主要有专用 集成电路( a s i c ) 和通用数字信号处理器( d s p ) 。专用集成电路是一种 “硬”的设计方法，其优点是处理速度快，缺点是灵活性差。d s p 是一种 “软”的设计方法，它能完成十分复杂的算法，使用灵活，易实现模块化，缺 点是受处理器速度的限制。现场可编程门阵列( f p g a ) 提供了实现数字信号 处理的第三种解决方案，它结合了以上两种方式的优势，既具有很高的处理速 度，又具有一定的灵活性1 3 , 4 。 本课题就采用f p g a 实现数字调制解调技术加以论述。 1 2 数字化调制解调技术的现状及发展 调制和解调是现代通信的重要手段。调制是用基带信号对载波的某一参量 进行控制，使高频载波的参量随基带信号的变化而变化。解调是调制的逆过 程，它是从接收的已调制的信号中恢复出原信号的过程。 根据被调制的是模拟还是数字信号，调制技术可分为模拟调制和数字调制 两类。模拟调制应用比较早，也比较广泛，主要应用于广播、电视和卫星通 信。数字调制解调器集成电路使得通信传输中的发送与接收设备可以更加紧 凑，成本更低，减小功耗。而且可以使用复杂的算法，从而实现最佳接收，大 大提高设各的可靠性。另一方面，数字调制解调技术的采用便于计算机辅助设 计，实现电子设计自动化，使各类现代调制解调技术融合为一体。因此随着数 字通信和数字技术的发展，数字调制所占的比例越来越高，而且不断有新的数 字调制方式出现。 数字调制的基本方式为幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控 ( p s k ) ，其它的数字调制方式是这3 种方式的扩展。常用的数字调制方式有 2 a s k 、4 a s k 、8 a s k 、b p s k 、q p s k 、8 p s k 、2 f s k 、4 f s k 等，频带利用率 从1 b i t s h z - 3 b i t s h z 。更有将幅度与相位联合调制的q a m 技术，目前数字微 波中广泛使用的2 5 6 q a m 的频带利用率可达8 b i t s h z ，8 倍于2 a s k 或 b p s k ，但是由于q a m 根据调制后信号的幅值进行解调，故一般不在无线通 信系统中使用。此外，还有可减小相位跳变的m s k 等特殊的调制技术，为某 些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，4 维调制等高维调制技术的研究 也得到了迅速发展，并已应用于高速m o d e m 中，为进一步提高传输效率奠 定了基础。总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技 术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配 爱的灵活性。 在相同信噪比的情况下，相移键控具有更低的误码率，且能有效地利用所 给定的信道频带，所以是种较好的调制方式。相位分得越多，传输速率越 高，但相邻载波间的相位差越小，在接收端对鉴相器的要求越高，将使误码率 增加。二进制数字调制方式虽然占用频带较宽使得频率利用率不够经济，但实 现起来比较容易，解调设备也比较简单，而且抗干扰和抗衰落性能较强，因此 在数字通信系统中得到了较为广泛的应用。高速解调器设计领域里，二相和四 相p s k 占相当重要的比重，因为最佳检测理论和实践早己证明，相干解调器 的p s k 方式是误码率最小的二元调制方式【5 】。所以，本课题选用d p s k 二进制 差分相移键控作为系统传输数据的调制解调方式。 1 3 f p g a 的特点及其设计流程 f p g a 芯片是可编程a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci m e g r a t e dc i r c u i t ) 中的 一种新型器件，自1 9 8 5 年a l t e r a 公司推出第一片现场可编程逻辑器件 ( f p g a ) 至今，f p g a 已经历了近2 0 年的发展历史。在这个过程中，以 f p o a 为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展【6 】。其典型的基本结 构如图1 1 所示： 可编程 输入输出 可编程 布线资源 可编程 逻辑单元 闰1 - 1f p g a 芯片结构示意图 与传统的p l d 器件相比，f p g a 芯片由于采用类似于门阵列的结构，因此 规模可以做得较大，可实现的功能更强，设计的灵活性也更大。以a l t e m 公司 的高密度c p l d 芯片a p e x 系列为例，其最大门数已达到数百万门。高端的 f p g a 产品包含微处理器核、内嵌存储器和大规模的逻辑阵列、外部设备的接 口以及面向各种应用的i p 核，甚至把模拟电路的核也包含进来。在几年前， 上述的功能只能用a s i c 实现。现在，f p g a 已经可以提供比较完整的平台。 各个领域的设计工程师可以根据需求的变化，利用这些设计平台不断更新和改 进自己的终端产品。开发f p g a 时，开发周期短，设计方案修改十分方便，投 资不存在风险问题。当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂 商a l t e r a 公司、x i l i n x 公司又陆续推出了数百万门的单片f p g a 芯片，将现场 可编程器件的集成度提高到一个新的水平。功能强大的电子设计自动化 ( e d a ) 工具不断出现，使得f p g a 开发工作十分方便，大大地提高了设计工 作者的工作效率，使用户在设计系统时事半功倍。由于这些新技术的出现，使 得采用f p g a 设计电路系统，能最大限度地集成外围电路，具有降低系统设计 成本、显著提高系统性能等优点，其应用领域正在不断扩大1 7 , 8 1 。 目前，f p g a 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发 展，系统设计进入“片上可编程系统”( s o p c ) 的新纪元：芯片朝着高密度、 低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其i p 库，以扩大市场； 特别是引人注目的所谓f p g a 动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观 念的巨大转变。 堕堡堡三兰銮兰三兰璧圭耋簦兰兰 如图1 2 所示，f p g a 设计流程主要包括以下几 个部分： ( 1 ) 设计输入：可以采用原理图输入，h d l 语 言描述，e d i f 网表读入及波形输入等方式； ( 2 ) 功能仿真：此时为0 延时模式，主要检验 输入是否有误： ( 3 ) 编译：主要完成器件的选择及适配，逻辑 的综合及装入器件，延时信息的提取； ( 4 ) 后仿真：将编译产生的延时信息加到设计 中，进行布局布线后的仿真，是与实际器件工作时情 况基本相同的仿真； ( 5 ) 编程验证：经过后仿真确认的配置文件经 编程电缆配置f p g a ，加入实际激励，进行测试，以 检查是否完成预定功能； 图l - 2f p g a 设计流程幽 以上各步如果出现不对的现象，则需重新回到设计输入阶段，改正错误输 入或调整电路重复上述过程【9 l o 】。 针对采用f p g a 实现设计具有丌发周期短，设计方案修改方便，成本低投 资不存在风险问题。本设计选用了a l t e r a 公司的a p e x 2 0 k e 系列的f p g a 芯 片来实现设计。 1 4 论文主要研究内容 本论文是某图像传输扩频系统方案的一部分。论文所要完成的主要设计工 作是实现一个基于f p g a 技术的数字调制解调通信系统，实现的主要功能是对 基带信号的差分编码、译码处理以及p s k 调制与解调。 本论文的主要工作内容如下：在广泛收集相关资料的基础上，熟悉和研究 d p s k 调制解调理论及可编程逻辑器件设计技术，特别是目前发展迅速的 f p g a 开发技术。并对a l t e r a 芯片特性进行了解，对整个系统进行理论上的分 析和考虑，并确定系统中的主要参数。完成整个系统的总体设计分析和各个模 块的功能划分。在q u a r t u si i 上完成调制解调器模型的实现，并对其进行功能 仿真和时序时延仿真。 论文的第1 章介绍了调制解调系统的发展现状以及f p g a 的特点和设计流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 程。并介绍了本论文的研究内容。 第2 章主要介绍了论文所涉及的一些理论背景。主要是调制解调系统理论 及算法。同时还介绍了用来实现这些模块的硬件描述语言一v c r i l 0 2h d l 和 a l t e r a 公司的q u a r t u s i i3 0 开发平台。 第3 章给出了调制解调系统的总体设计和发射及接收子系统的各个功能模 块的分析以及在q u a r t u si i 上的实现细节。并进行了功能仿真和时序时延仿 真，给出了仿真结果。 第4 章主要介绍了在q u a r t u si i 上实现本系统时遇到的问题和解决的办 法。重点讲述了f p g a 设计中的严格同步问题。 最后是对论文工作的一些总结。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章d p s k 调制解调系统的原理 2 1 数字调制方式简介 数字调制的基本方式为幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控 ( p s k ) ，其它的数字调制方式是这3 种方式的扩展。在相同信噪比的情况 下，相移键控具有更低的误码率。所以，本课题选用相移键控作为系统传输数 据的调制解调方式。 2 1 1 正交相移键控方式 q p s k 是正交相移键控，又称四相键控。可看作是两个互相正交的b p s k 之 和。它的输入码元经串并变换电路之后分为两个支路，一路为奇数码元，一 路为偶数码元。这时每个支路的码元宽度为原码元宽度死的两倍，每个支路再 按b p s k 的方法进行调制。不过两支路的载波相位不同，它们互为正交，即相 差9 0 。，一个称为同相支路，即1 支路；另一称为正交支路，即0 支路。这两支 路分别调制后，再将调制后的信号相加，就得到四相移相键控，如图2 1a ) 。 q p s k 有4 种相位状态，各对应于四进制的4 种数据，即o o ，0 1 ，1 0 ，1 1 。如图 2 1b ) 所示。 a ) 电路 出 图2 - 1q p s k 调制器及相位 0 l ”相位 0 0 1 1 0 哈尔滨工业人学工学硕上学位论文 q p s k i 拘四相各相差9 0 。，它们仍是不连续相位调制，它的频谱形状, n - - , r 调制的一样，仍是( 争2 的形式，只是四相调制中经串并变换后，每一符号宽 度已变为2 死，所以它频谱的第一零点在f a = 0 5 处，而不是像二相在 f f b = 1 处( = l i t b 为信码传输的比特速率，有的文献用符号吒表示) ，因 而四相的频谱占用宽度只是二相的一半( 在码速相同的条件下) ，所以其谱 效率提高一倍，即2 b i t s h z 。它也有相位模糊问题，因而实际上大都采用差分 编码，称为d q p s k 调制方式【l ”。 o q p s k 是o f f s e tq p s k 的缩写，称为交错q p s k ，即它的i ，q 两支路在时间 上错开一个码元的时间死进行调制，这样可避免在q p s k 中，码元转换在两支 路中总是同时的，因而在转换时刻，载波可能会产生1 8 0 0 的相位跳变，在 o q p s k 中，两支路码元不可能同时转换，因而它最多只能有+ 9 0 。相位的跳变。 相位跳变小，所以它的频谱特性要比q p s k 的好，即旁瓣的幅度要小一些。其 它特性均与q p s k 差不多。o q p s k 和q p s k 的不同见图2 2 。 输入数据流l ! ：ili】 li 。q 通道i ! ：2 l|l 船k - 通道 二 二 ： q 通道j 圣：! 堡li| i 通道i il i 图2 - 2o q p s k 和q p s k 在时间关系上的不同 下面讨论艄- q p s k 调制，这是一种最近在移动通信上获得较多应用的一 种调制。r d 4 一q p s k 是在1 9 6 2 年由贝尔研究所p a b a k e r 首先提出，但在8 0 年 代末才在移动通信中应用，其原理简述如下： 如图2 3 ，首先二进制数据经串并变换为两路并行的数据流，此并行数据 流各自经过差分编码器以构成差分n 4 一q p s k ，或记为 n 4 d q p s k 。这就是并行 的两个信号流暇龅。然后它们通过信号形成电路，它的输出u 女与h 在信号的每 堕查堡三些查兰三兰翌土兰堡鎏三 一比特周期中有，u k = c o s 0 k ，v k = c o s o i ，0 k = 0 k 1 十靠，因此，除和蜀，s o 有关 外，还和前一比特状态札l 与坼i 有关。它有以下关系即展开后有 机5 牝1c o s z x o k v k ls i n , a o i f 2 - 1 1 v 女= “s i n a 吼一v hc o s a o kj 、 而式中的巩则为由当前的符号& 和s o 的信息按下列关系所定，即： 信息( 曲，s o ) 1 1 ， 以= 7 r 4 0 1 ， o k = 3 1 r 4 1 0 ， 巩= 一z r 4 o o ， o k = - 3 ，r 4 此即最后r d 4 所应达到的相位。 图2 - 3r d 4 q p s k 的简化调制器方框图 从图2 - 4 可以看出，图中有8 个相位，4 个标记有号的相位是调制应到 达的相位。但在调制过程中相移的路径要先经过图中4 个标记为o 的相位之 一。究竟经过那一个，要看前一符号的位置和要达到的相位，即使它的相位变 化路径最小。例如信号从1 0 变到1 1 ，则相移路径从1 0 先到a 点旋转4 5 0 ，再 到1 l 点，( 又旋转4 5 。) 。如信号从l o 变到0 1 ，则相移路径先由1 0 转到b 点， ( 变化1 3 5 。) ，再从b 点旋转4 5 。到0 l 点。总之，它在调制时相移的路径避免 了在q p s k 中的1 8 0 0 的不连续相位变化。因此它的频谱特性较q p s k 有改 善，经过实测，它在距载波2 0 k h z 处的辐射比q p s k 低1 0 d b 左右。经过低通 滤波器滤波之后，特性还会更好些。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 0 1 0 01 0 ，l 避：数 倒2 - 4 4 - q p s k 的相位及相移路径7 【 a 合成后的r d 4 - q p s k 信号如下式 s ( f ) = g ( t - k t ) c o s o kc o s 0 ) 。，- g ( t - k t ) s i n o ks i n c o 。f ( 2 2 ) ki 上式中p o k t ) 是升余弦滤波器的的脉冲响应。 兀，4 - q p s k 的解调方法有多种，可在中频，也可在基带解调，还可以用鉴频 器解调【l “。图2 - 5 为这几种解调器的方框图。 此处只说明基带解调器的工作。如图2 5a ) 的方框中，其本地振荡器的频 率与未调载波相同，但它的相位可以不同，因此它不是相干解调。 收到信号为毗，缸，假设信道没有误码( 如有应该纠错) ，和缸应分别和 原发信号相同，即= ，z k = v 。，于是有： 篡s i n ( 嚣舅 。， z t =庐 一目) 上式中丸= t a n 一1 生，为载波在础耐的相位。检测后，则有 坼2 w l w i l + z k z k _ i2 。0 8 ( 九一九一i ) 2 c o s a o k ( 2 - 4 ) y t = 毛w + w k 2 = s i n ( # k 一九一1 ) = s i n a 吼 于是根据相移的规则，可以判决如下： 品si：=l，裁美品s1=：0，辜觏ffxkl 0( 0 0 j ( 2 _ s ) 品= ，觏 o ；品= ，静女 。 当采用差分解调的时候，假设输入信号为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 经过延时相乘得到 s ( f ) = c o s ( 0 9 。，+ o k ) ( 2 - 6 ) c o s ( c o 。t + 巩) c o s ( g o 。t + 幺一】) ，s i n ( w 。f + o k ) c o s ( ( o 。r + 吼一i ) ( 2 _ 7 ) 低通滤波后得到与差分解调相同的结果为： 以= 昙c 。s a 0 。 _ y 。= 昙s i n a 0 。 ( 2 8 ) a ) 基带差分解调 b ) 中频差分解调 c ) 鉴频器解调 图2 - 5 7 ，4 - q p s k 的三种解调器方框图 根据测试和理论分析，它的误码特性如图2 - 6 。当在白噪声条件下，要达 到1 0 4 的误码率，理论的信噪比毛o 应为1 2 d b ，实测值为1 3 d b 。和q p s k 相同。在瑞利衰落的条件下，如无分集，要求1 0 2 的误码率其毛o 的实测 值为1 9 2 0 d b 。如使用二重分集，1 0 。2 的误码率时毛0 为1 4 d b ，1 0 。4 的误码 率时为2 6 d b 1 3 1 。 哈尔滨工业大学_ 丁= 学硕士学位论文 2 1 2 频移键控方式 图2 - 6 n 4 - q p s k 的误码特性 f s k 是频移键控，m s k 最小频移键控( m i n i m u ms h i f tk e y i n g ) ，而g m s k 是高斯滤波的m s k ，( g a u s s i a n - f i l t e r e dm s k ) ，它们都属于连续相位调制，即 它们在调制时，载波的频率受到信号调制在变化，但它的相位在信号码元交替 时却是连续的，不发生相位的突变，所以这种调制和不连续相位调制相比，都 有主瓣较窄，旁瓣较低的特点，比较适合移动通信的要求【1 4 。 f s k 是二进制频移键控，它是一种恒幅的相位连续的调频波。即它在传送 信号“1 ”时，输出的传号频率。为。+ 脚。，传送“0 ”信号时，输出的空号 频率，为一印。，式中国。为载频，珊。为调制的角频偏。并且我们定义调制 指数h 为： h ：! 堡塑型塑堡：三生( 2 - 9 ) 数据速率 式中 = 1 瓦为数据速率。所以，实际上f s k 可以看成是两个振幅键控的和， 它们是： q ( f ) = a ( t ) c o s r o ，f ，0 9 ；= o 一曲d ( 空号频率)( 2 - 1 0 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 s 2 ( ) = a ( t ) c o s o ) ，缈。= o + 脚d ( 传e s n 率) ( 2 1 1 ) 式中a ( 0 由数据信号决定，a ( 0 = 0 或l 。 图2 7 中，0 信号时，一个乃时间内，载波频率是低的，它正好有4 个半 波，而在信号为“1 ”的周期中、频率变高，正好有5 个半波。它们的差正好是 半个正弦波形，所以在码元交替点波形非常连续平滑。因而频谱的旁瓣最小。 这种特殊情况( h = 0 5 ) 的f s k ，我们称之为最小频移键控( m s k ) 。它意味着 m s k 在一个码元的时问内，能用最小的信号频差产生最大的相位差。 实际上，m s k 是频移键控的特殊情况，在这种情况下，它也可看成是相移 键控。我们可认为它是按以下规律进行相移键控的，即信号“1 ”时载波相位 增j j i g 2 ，当信号为0 时，载波相位减小兀，2 。它的相位变化在一个码元周期 内为直线( 相位变化0 = i c o a t ，因频率为常数，故o y f i l t 是直线关系) ，并在码元 交替时刻保持相位连续，没有突变【l ”。 数据 f s k h = 0 图2 7h = 0 5 的f s k 的例子 在一个码元周期以内，m s k 的传号波形s 2 ( t ) 和空号波形丑( f ) 是正交的， 它们互相关系数为0 。这也是m s k 的一个特点。 通过数学还可证明，如果在o q p s k 的两个支路中不用矩形信号而用半个 正弦波形信号，所得结果就是m s k 信号。 g m s k 是在m s k 之前，加一高斯滤波器，以抑制旁瓣输出，当然其它性能 也会受些影响。图2 8 是g m s k 的电路。在调频器之前，有一些前置滤波器，它 将数据先进行滤波，由于经滤波后输出的数据脉冲没有陡峭的边沿，经调制 后，它的相位路径在m s k 的基础上进一步得到平滑。这里原m s k 相位路径的 哈尔滨t 业大学t 学颈士学位论文 尖角被平滑掉了。所以它的频谱特性就会被改善。它的电路就是在前置高斯滤 波器后加上一个调频器，最简单的就是压控振荡器，不过它的频移和数据速率 应保持m s k 所要求的条件【1 6 1 。 图2 8g m s k 电路图 输出 f s k ，m s k ，g m s k 均是一种频移键控，不同的频率对应于不同的数字信 号，所以它可用相干解调，也可用非相干解调，非相干解调电路简单，只用两 个带通滤波器，分别滤出珊，和国。，即可用包络检波得到原调制的0 1 ”数 据序列，见图2 9 。 图2 - 9f s k 的非相干解调 2 1 3 正交振幅调制方式 1 输出 前数节均属恒幅调制，即调制器输出的信号振幅是恒定的，只有载波频率 和相位的变化。因为人们原认为在移动通信中不宜采用振幅变化的调制。理由 是移动信道中的衰落会干扰振幅的变化，而使接收判决发生差错。另一方面是 因含有振幅变化的调制，将对发射机末级高功率放大器的线性要求过高，若非 线性严格，将会引起互调和调制失真。所以采用恒幅的调制为主要的方法。近 年来，许多人又对多进制的q a m 调制研究，认为可以在移动通信中使用。 q a m b p q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 的缩写，是正交振幅调制的意思。 它是种多进制的混合调幅调相的调制。4 q a m 就是q p s k ，所以只研究8 q a m 和1 6 q a m ，更高进制数妻n 3 2 q a m 或2 5 6 0 a m 则还不适用于移动通信。图2 1 0 绘出了8 q a m 和1 6 q a m 信号在信号空间的位置。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ji ， 000o o0oo oooo ooo o 8 q a m1 6 q a m i g l 2 - 1 0 两种q a m 的信号空间位置 八进制的8 q a m ，在信号空间用8 个点的振幅与相位的位置来代表八进制 的8 种数据信号( 0 0 0 ，0 0 1 ，0 1 0 ，o l l ，1 0 0 ，1 0 1 ，1 1 0 ，1 1 1 ) 。由图可以看 出，这8 个点不但相位不同，而且振幅也不同。有4 个点是一种振幅，另4 个点 是另一种振幅。所以各点不但相位各差4 5 。，而且振幅也不同。这种8 q a m , 和 8 p s k ( 即8 个点均匀分布于一圆周上的纯粹八进制移相键控) 相比。可以看出 8 q a m 的各信号之间的差别要大些。在8 p s k 中，信号的差别只由相位相差4 5 。 来区别。在8 q a m 中，不但有4 5 0 相位的差别，而且有振幅上的差别，同样振幅 的信号，彼此相位相差9 0 0 ，而不是4 5 0 ，这就增加了它的信号之间的差异性。 也可以从图上看，它的各点在信号空间中的彼此距离要比8 p s k 的大。这表示 它的抗误码能力会比8 p s k 要强一些。使用多进制调制的谱效率要高，8 q a m 要 比b p s k 高3 倍。 1 6 q a m 在图2 1 0 中的位置用来表示十六进制的1 6 个点的振幅和相位。它 也比1 6 p s k 要好。它的振幅有3 种大小，相位则有1 2 种相位的变化。而 1 6 p s k 仅靠1 6 种相位来区别，它们的差别只有2 2 5 。，因此抗误码能力是远不 如1 6 q a m 的。这就是说，在1 6 p s k 中，彼此距离小，它易受噪声干扰而跳到 相邻的相位上，因而做出错误判决。所以1 6 q a m 的噪声容限要比1 6 p s k 大。 当然如果拿1 6 q a m 和8 q a m 相比，则更多进制的误码性能总要差一些，这也 就是为了提高谱频效率而付出的代价1 5 j 。 2 2d p s k 调制端原理 d p s k 是二相差分移相键控调制，亦称相对移相键控调制。b p s k 是二相 移相键控调制，亦称绝对移相键控调制。都是二相制，原理比较简单，即用二 进制数字信号来控制载波的相位。如信号为“0 ”时，载波相位不变，而信号 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 为“1 ”时，载波相位反转，即移相1 8 0 。( 也可以是相反的规定) 。b p s k 是以 一个参考载波的相位为基准、按数字信号的0 ，1 来确定应移动的相位；d p s k 是用载波的后码元对相邻的前码元的相对相位作为参考相位的。相位关系如表 2 1 所示。由于d p s k 与b p s k 的相位参考不同，虽然0 ，1 信号移相的 规则一样，但调制后的相位是不同的。 表2 - 1b p s k 与d p s k 信号相位关系 数字序列 l00lllo b s k 信号相位 0 兀亿00o 兀 d p s k 信号相位( 参考相位) 000 兀0 兀 b p s k 的调制器非常简单，只要把数字信号与载波频率c o s ( d 。r 相乘即可， 不过这里数字信号的“0 ”要用“一l ”来表示( 在数字通信中，符号“1 ”用 “+ l ”来表示，0 则用“1 ”表示) 。所以它的调制器如图2 1 1 所示。 磊豫号 i 载波c o s o ) o t 图2 - 1 1b p s k 调制器 d p s k 的调制规则和b p s k 一样，只是它以前一比特的相位为参考，因此 只要在b p s k 的调制器前加一个差分编码模块就可以。如图2 1 2 所示，差分 编码模块将基带波形进行差分编码，获得基带信号的相对码。然后对相对码进 行绝对相移键控，由n c o ( 数控振荡器) 产生的c o s c o t k 进行调制，得到离散 的d p s k 信号。在整体设计系统中，该信号经模数变换后作为中频输出信号。 差分编码规则如下： d = b i o d i l 式中矾为差分编码模块输出信号；以为调制输入信号 特的输出【1 7 】。 调制后的d p s k 信号可表示为： j ( r ) = a ，c o s o ) t + 以( f ) 】 ( 2 一1 2 ) 以一。为差分编码前一比 ( 2 - 1 3 ) 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 图2 1 2d p s k 调制部分原理图 2 _ 3 d p s k 解调端原理与主要算法 解调通常有两种方法，一种称为相干解调，另一种称为非相干解调。 b p s k 的相干解调即在接收机中产生一个与收到的载波信号同频同相的参 考载波信号，称为相干载波。将它与收到的信号相乘后，再积分采样判决。如 果收到的信号与载波信号同相，则相乘为正值，积分后采样必为一大于0 的 值，即可判为“1 ”。如果收到的信号与参考信号反相，则相乘之后必为负值， 积分采样后判为“0 ”，因此解调完成。但此时从信号中提取的参考载波相位有 可能不是真正与发端载波同相，而正好是反相的，故存在相位模糊的问题。 而在d p s k 中，它是以前一比特的信号相位为参考的，故只要将收到的信 号延迟一比特的时间作为参考载波来进行相干解调就可以了，因此不会存在相 位模糊问题，故现在大多采用d p s k 。 d p s k 为差分移相调制器，在p s k 调制器前面加差分编码器，由延迟电路 和模2 加法器构成。差分相干解调也很简单，将前一比特的信号延迟一个比特 的时间用来作为参考信号，与本次比特的信号相乘，输出经积分，抽样并比较 判决后即得解调后的数字信号【l 8 ，”l 。 f 在仅考虑白噪声的条件下，相干解调后，它们的误码率和信噪比鱼有 关。据推导： 聃k ：只扣旧 陪 d p s k ： e r f c ( 周 ( 2 1 5 ) 式中西为信号每比特的能量：r 1 0 为白噪声的功率密度；e r f c 为误差互补函数的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 符号。 d p s k 的误码性能比b p s k 的略差，但因它的电路简单又无相位模糊，更 适合实际应用 2 0 , 2 1 】。 对于d p s k 信号的解调，本设计采用相干解调法，原理框图如图2 1 3 所 示。经过了伪码解扩后的信号，经过带通滤波后输入乘法器，与n c o 产生的 两个正交的本地载波相乘，相乘后的信号再经积分猝灭，积分输出信号作为进 行差分译码的输入信号f 2 2 挪1 。同时积分输出信号作为自动频率控制信号去控制 n c o 产生正交的本地载波频率。 中 信 i 路 蒜 e 忍。e 习 l 匠 信号 输出 幽2 - 1 3d p s k 解调部分原理图 信号经伪码解扩后输入到f p g a 进行数字化解调，该输入信号可表示为： j ( ，) = a ，c o s c a t + 谚( f ) 】( 2 1 6 ) 其中痧。( ，) 为瞬时相位，取值为0 或7 1 ：。 由接收端的n c o 产生本地正交载波c o s c a t 和s i n 鲫，暂不考虑n c o 与中 频信号的频差和相差。正交载波与输入信号相乘，对输入信号进行正交分路的 解调处理。相乘后的信号再经积分猝灭滤波产生已解调输出信号为口4 ： d o t ( t ) = a zc o s # j ( ，)( 2 1 7 ) c r o s s ( t ) = 一a s i n 庐，( ，)( 2 1 8 ) 将d o t ( t ) 3 艮lc r o s s ( t ) 表示为数字化形式： d o t ( k ) = 爿z ( 七) c o s 妒( k )( 2 - 1 9 ) c r o s s ( k ) = 一a z ( k ) s i n 他)( 2 2 0 ) 这里积分猝灭的控制信号为数据信息码元的位同步信号，它是在图像传输系统 中接收部分的伪码同步后产生的。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 输出信号d d f ( 肺一路经过差分译码和判决电路恢复出原始信号。另一路输 入乘法器与c w s s ( k ) 相乘后产生数控振荡器n c o 的误差控制信号。 d p s k 调制方式下，应该有a z ( 女) = a z ( i 一1 ) = a z ，用符号s 。( | 】 ) 表示差 分译码输出，则算法如下： s 。( 七) = 重c o s 妒( k ) c o s 庐( k 一1 )( 2 ，2 1 ) 在d p s k 方式下，( ) 和( t 1 ) 的取值只有0 和7 【两个相位。当( t ) 和 矿( 七一1 ) 相位相同时，式( 2 - 2 1 ) 结果为爿；，对其判决后输出信号“0 ”。当 庐( j i ) 和妒( 七一1 ) 相位不同时，式( 2 - 2 1 ) 结果为一，对其判决后输出信号 “1 ”，即完成数据的d p s k 解调。 在上面的分析中，没有考虑n c o 的输出的振荡信号与中频信号的频差和 相差，因此这里必须有载波跟踪的环节，来解决此问题。在图2 1 3 中通过乘 法器实现的鉴相模块和环路滤波器构成自动频率控制，完成载波的跟踪。鉴相 器产生误差控制信号的算法如下： 假设n c o 的输出和中频信号的频差为a d o ，初相差为