（信号与信息处理专业论文）qpsk调制解调器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 本课题来源于与研究所合作项目，目的是实现某通信系统中的图像传输。数 字信号的四相相移键控调制与解调技术以其灵活性和通用性而得到广泛的应用， 符合未来数字通信技术发展的方向。本文提出了一种基于i n t e l 公司的专用集成电 路s t e l - 1 1 0 9 和s t e l - 2 1 0 5 的调制解调系统的方案，实现了信号的q p s k 数字式 调制与解调。本论文中的调制器与解调器均是采用a l t e r a 公司的低成本系列现场 可编程逻辑门阵列( f p g a ) 来控制的，系统结合了r s 纠错编解码技术，提高了传 输数据的可靠性，此外调制器和解调器还采用了基于f t d i 公司的f t 2 4 5 b l 的先 进简易u s b 接口技术，为系统与p c 机的通信提供了方便。本系统的特点是软件 与硬件结合，易于采用f p g a 来实现。 本文首先叙述了q p s k 调制解调技术的工作原理和数字式调制与解调的特点， 然后分别结合对调制器和解调器的研究与设计展开讨论。最后完成了对系统的调 试并提出了对系统改进的方案。 调制器和解调器的设计过程中涉及到对数字信号进行调制和解调一些关键技 术的研究，比如在调制过程中的符号映射、成形滤波器和内插滤波器等技术以及 在解调过程中的中频采样、数字下变频、积分清洗滤波器、载波同步和位同步等 技术。 本文结合对调制器和解调器芯片各功能模块的分析，给出了其相关关键参数 的设置，具有一定的参考意义。并且通过实验证明，该系统满足设计要求，能够 很好地完成中频为3 0 7 2 m h z ，数据率为4 m b p s 的q p s k 信号的调制与解调，符合 此图像传输系统的功能要求。 关键词：四相相移键控，调制，解调，专用集成电路，现场可编程逻辑门阵列 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei s s u es t e r n sf r o mc o o p e r a t i o np r o j e c t sw i mt h ei n s t i t u t ea n dt h ea i mi st of u l f i l l i m a g et r a n s m i s s i o ni nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h et e c h n o l o g yo fc o m p l e t ed i 酉t a l q p s k ( q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ni ss u i t a b l ef o rt h e d i 西t a lc o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r ef o ri t sf l e x i b i l i t ya n dv e r s a t i l i t y t h i sp a p e rp r o p o s e ap r o g r a mo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns ) ，s t e mb a s e do na s l c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) c h i p s ：s t e l - 11 0 9a n ds t e l - 2 1 0 5 ，a n df u l f i l l e ds i g n a l 8m o d u l a t e a n dd e m o d u l a t e t h em o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o ri nt h i sp a p e ra r eb o t hc o n t r o l l e db y f p g a t h i ss y s t e mu s er sc o d et oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft r a n s m i t t e dd a t a a l s ot h i s s y s t e mu s es i m p l eu s b i n t e r f a c et e c h n o l o g yt op r o v i d eag o o dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p ca n di t s e l f t h i ss y s t e mc o n t a i n saf e a t u r eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m b i n a t i o n ，s o i t ss u i t a b l et ob ec o m p l e t e dw i t hf p g a f i r s t , t h i sp a p e rd e p i c t e dt h ep r i n c i p l eo fq p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e t ed i g i t a lm e t h o d ，t h e nd i s c u s s e dt h ed e s i g no fm o d u l a t o ra n d d e m o d u l a t o rr e s p e c t i v e l y , a n da tl a s tc o m p l e t e dt h et e s to ft h es y s t e ma n dg a v eo u t s o m ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n s i nt h ep r o c e s so fd e s i g no fm o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o r , s o m er e s e a r c h e so fk e y t e c h n o l o g yw e r er e l a t e d f o re x a m p l e , s y m b o lm a p p i n g , s h a p ef i l t e ra n di n t e r p o l a t i n g f i l t e ri nt h em o d u l a t o ra n di n t e g r a t e d u m pf i l t e r s ，c a r r i b 既 s y n c h r o n i z a t i o na n d s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ni nt h ed e m o d u l a t o r t h i sp a p e rg i v e so u tt h es e t t i n go fk e y p a r a m e t e r sa tt h es a m et i m eo fd i s c u s s i o n t h em o d u l eo fm o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o r p r o v e db ye x p e r i m e n t , t h es y s t e mh a ss o m e r e f e r e n c em e r i t s i tc a l lw o r ke f f e c t i v e l yt os u p p o r tt h es u b s e q u e n ta n dc a nc o m p l e t et h e q p s km o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o r 丽mt h ei n t e r m e d i a t ef i c q u e n c yo f3 0 7 2 m h z ，a n d t h el a r g e s tb a n d w i d t hr e a c h e s4 m b p s k e y w o r d s ：q p s k , m o d u l a t e , d e m o d u l a t e , a s i c ，f p g a 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。 签名： 毖擘 日期：刎子年斗月岁口日 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： 导师签名：立恤 日期：2 ，口占年4 月；0 日 第一章引言 1 1研究背景与现状 第一章引言 自1 8 9 7 年意大利科学家gm a r c o n i 首次使用无线电波进行信息传输并获得成 功后，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无 线通信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用 并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。 随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重 要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数 字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带 上数字调制信号有称为键控信号。在调制的过程中可用键控【l 】的方法由基带信号对 载频信号的振幅，频率及相位进行调制最基本的方法有三种；正交幅度调制 ( q a m ) ，频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。 随着大规模集成电路【2 】( l s i ) 技术和工艺的进步，数字集成电路的复杂度 和功能达到了前所未有的高度，推动了社会的数字化进程，以专用集成电路 ( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 和现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 为代表的i c ， 已经在工业生产中得到了大规模的应用。在技术和工艺进步的基础上，数字通信 中调制解调算法的实现已不再是一件可望不可及的事情。可以说，无论是通信系 统的内在要求( 即算法复杂性决定接收的质量) ，还是外在条件( 技术和工艺) 都 在促使通信系统的调制解调向数字化发展。 q p s k 是目前卫星、微波和有线电视上行通信中最常用的一种单载波调制方 式，在电路上实现比较简单，其频带利用率高，是b p s k 的两倍，具有较强的抗 干扰性，当发射功率一定时，和b p s k 的误码率相同。 1 2调制解调技术的概述 数字信号调制是用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带 数字信号的过程，数字信号的调制设备包括数字信号处理( 编码) 单元和调制单 元。 电子科技大学硕士学位论文 图i - i 数字通信调制系统框图 首先将模拟信号数字化，然而数字信号序列进行编码码流是不能或不适合直 接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传 输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码，一般包括扰码，r - s 编码，卷 积交织，卷积编码这几部分；有关调制单元的调制类型的分类： ( 1 ) 按数据类型数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。 ( 2 ) 按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。 ( 3 ) 按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。 数字通信解调设备的构成如图1 2 所示，主要包括解调单元、信码再生单元和 译码单元。其中，载波同步和定时同步是解调器的2 个核心单元，它们直接决定 着解调器的误码性能。 解调单元再生单元 译码单元 积分或低 相乘器抽样判决译码电路 通滤波器 f f ji f 载波同步卜一 一定时同步 图i - 2 数字通信解调系统框图 在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是用模拟处理方法和器件实 现的。其中，共同之处在于使用了模拟滤波器、鉴相器( 乘法器) 和压控振荡器 ( v c o ) 。这种传统的模拟解调单元电路体积大、形式复杂；调试周期长而且受人为 因素影响大：器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性差；因此，这种传统的接 收机不能完全发挥数字通信的优势，不能实现数字信号处理的最佳接收。 解调单元的载波同步和定时同步将完全在数字部分完成，而模数转换器的位 置决定了接收机的数字化程度。在全数字解调中，几乎所有的模拟解调单元和器 件都可以对应地找到它的数字化形式，如数字滤波器( f m 或f i r ) 、全数字乘法器 2 第一章引言 和数控振荡器【3 1 1 4 1 ( n c o ) 等。但全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全 部数字化，它具有以下的特点： 1 1 l 电路结构简单，易于调试； 2 1 可以使用复杂的算法，从而实现最佳的接收； 3 ) 便于计算机辅助设计，实现电子设计自动化( e d a ) ； 4 1 易于集成和大规模生产，价格低廉。 1 3本文的主要研究工作 本文的主要内容是研究易于用f p g a 器件控制的数字调制器s t e l - 1 1 0 9 和数 字解调器s t e l - 2 1 0 5 来实现q p s k 信号的全数字化调制和解调。q p s k ( 四相相移 键控) 利用载波的4 种相位来表征数字信息，比b p s k ( - - 相相移键控) 的数据率 整整提高了两倍，即降低了一半的传输带宽，提高了带宽的利用率。结合现有的 数字信号处理器的技术，根据实际工程中的通信条件，设计出合适的数字化调制 和解调方案。 本人在硕士生学习期间完成了q p s k 调制器和解调器的设计与实现工作，主 要内容包括： 查询国内外相关文献资料、制定可行性方案书； 芯片的选型与分析； 完成q p s k 调制器与解调器的原理图、p c b 图的设计； f p g a 程序的设计与编写工作； 硬件和软件的调试工作。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章 q p s k 调制解调原理及结构设计 2 1 q p s k 调制解调原理 2 1 1相移键控系统概述 相移键控是目前扩频系统中大量使用的调制方式，也是和扩频技术结合最成 熟的调制技术，原则上看是一种线性调制。从基带变换到中频以及射频，中间的 频谱搬移和信号放大需要一个要求较高的线性信道，因而，设计要求较高。 相移键控系统中，有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化，从而形 成振幅与频率不变，而相位取离散值变化的己调波。 2 1 1 1二进制相移键控 对于二迸制相移键控b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 来说，就是二进制的 数字信号0 和1 分别用载波的0 和7 c 来表示。其表达式由公式( 2 1 ) 给出： 品麟 = 【a 。g ( t n t , ) c o s a ，t ( 2 1 ) 式中，a n 为二进制数字， 吼= = ： 2 1 1 2四相相移键控 概率为p 概率为1 一尸 ( 2 2 ) 四相相移键控q p s k 是m p s k l 5 l 的一种特殊情况。它是利用载波四个不同的相 位来表征数字信息的调制方式。 q p s k 信号可以表示为： 苓瞅( 力= 【9 0 一以霉) 】c o s ( 魄f + 纯) ( 2 3 ) n 式中，嫂是载波的角频率，识是第k 个码元的载波相位取值，z 是一个发送 码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一，甙t ) 是发送码元的波形函数。纯是 可以取区问( 0 ，2 x ) 任何离散值的随机变量，可取的个数由调制方式的进制来决 定。在q p s k 调制系统中，发送端可取的相位值为四个。 4 第二章q p s k 调制解调基本原理 将上式展开，得到： 麟( f ) = g o 一以z ) c o s 纯】c 0 s 吃f _ 【g o 一以z ) s i i l 纯】s i i l 4 f ( 2 - 4 ) 令鼍= c o s 纯，】二= s i n f o ，则两者的取值是随机的离散值，和选定的相位有关， 在星座图的映射中对应同相和正交分量，反映其在映射图中的矢量位置。 对于四种相位的选择，存在r d 2 体系和7 以体系。r d 2 体系对应n = 0 ，n 2 ，兀， 3 9 2 四个离散值。g 4 体系对应n - - g 4 ，3 r d 4 ，5 梢，7 9 4 四个离散值。 从式( 2 _ 4 ) 可以看出，四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二进 制幅度调制的信号之和。从以和e 的取值，容易发现两者具有一定的矢量约束关 系，保证两者合成的矢量点在落在同一圆周上。这个关系意味着，系统的非线形 失真对q p s k 系统的可靠性影响很小。 2 1 2 q p s k 调制的工作原理 q p s k 调制器可以看成由两个b p s k 调制器构成，这在上一节中我们已经讲述 过了。输入的串行二进制序列经过串并转换后，分成两路速率减半的序列，然后 经过极性转换后变成两路双极性二电平信号，o ) 和q ( t ) ，然后跟c o s 2 7 r f j 和 s i n 2 7 r f j 相乘进行调制，相加后即得到q p s k 信号。如图2 1 所示： 图2 1q p s k 调制过程 由图2 1 ，可以看出，q p s k 是由两路b p s k 信一号构成，且两路信号相互正交 的，即相位差相差9 0 。，两路b p s k 信号相加，即得到q p s k 信号。图2 1 是比较 常用的q p s k 调制方式。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 q p s k 解调的工作原理 在q p s k 解调中，常采用相干解调【6 】【刀【8 j 。见下图所示： 图2 - 2q p s k 解调过程 相干解调中，正交路和同相路分别设置两个相关器( 或匹配滤波器) ，得到i ( t ) 和q ( o ，经电平判决和并一串变换后即可恢复原始信息。当然，如果调制端是差分 编码的，那么解调中并串变换后还需一个差分解码。 假如已调信号为& 脚( t ) = i ( t ) c o s a ，, t + q ( t ) s i n r ot ，( f ) 、酏) 分别为同相路 和正交路，她为载波频率，那么相干解调后，同相路相乘可得 o ) = s q p 瓢o ) c o s r o d = i ( t ) c o s ( _ o c t + q ( t ) s i n ( o c t c o s c o 。t = l ( t ) c o s 2 ( o j + q ( t ) s i n ( _ a t c o s c ot ( 2 - 5 ) 正交路为 q ( t ) s i n2 r a j + i ( t ) c o s2 r o j + 塑 22 2 q q o ) = 篷燧o ) s i i l 嚷t _ 【j o ) c o s q f + q ( f ) s i i l 心f 】s i n 吐f = i ( t ) s i n ( o d c o s c ot + q ( t ) s i n 2 咄( 2 - 6 ) 222 经过低通滤波后，可得 6 第二章q p s k 调制解调基本原理 2 薏，q lq ( t ) = 警 过极性转换的，l 对应于二进制数据l ，1 对应于二进制数据o ) 。 表2 - 1i 、q 路的判决 i ( t ) q ( t ) 同相路滤波后 正交路滤波后 判决后判决后 输入输入 ( f )q ( f ) i q ( t ) 111 21 20o 1 1 1 2 l 2 0l 11l 21 2lo lll 2l 2ll 解调过程中涉及到信号的采样、数字下变频、载波同步、位同步等关键技术。 信号的采样是模拟信号与数字信号之间的一个通道，是数字化解调过程中一 个及其关键的步骤。 数字下变频d d c ( d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ) 是随着数字信号处理技术的发展而 出现的，目前大量使用在数字中频技术中，它的根本任务就是实现数字中频到基 带信号的变换。数字下变频的组成与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字 控制振荡器( n c o ) 和低通滤波器( l p f ) 三部分组成。影响数字下变频器性能的 主要因素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的 有限字长所引起的误差；二是数字本振相位分辨率不够而引起数字本振样本数值 的近似取值。也就是说，数字混频器和数字本振的数据位数不够宽，存在尾数截 断的情况；数字本振相位的样本值存在近似的情况。它主要涉及数控振荡器n c o ， 抽取滤波器( 即积分清洗滤波器) 等技术。 在数字通信系统中，解调器的任务是恢复出传输来的原始数据系列。解调器 的构成方案通常可以分为两类：同步解调和异步解调。两者的区别在于，同步解 调需要一个相干同步的本地载波。一般地说，同步解调性能较为优良。但是，对 于抑制载波分量的调制信号来说，要从接收的信号中恢复出参考载波，必须进行 相应的处理。 在数字通信中，除了载波同步外，还需要位同步。因为消息是一串连续的码 元系列，解调时必须知道码元的起止时刻，即码同步。位同步可分为自同步和外 同步两种。自同步是直接从接收的信号中提取位同步信息，而外同步是在发射端 7 电子科技大学硕士学位论文 专门发射导频信号。例如，在基带信号频谱的零点，插入所需的导频信号，在接 收端，利用窄带滤波器，就可以从解调后的基带信号中提取所需的同步信息。插 入导频也可以使数字信号的包络，随同步信号的某种波形而变化。在相移或频移 键控时，在接收端只要进行包络检波就可得到同步信号。 2 1 4 q p s k 的星座图 q p s k 信号常常可以用星座图来表示，或者也可称之为矢量图。它表明了各个 符号( 用双比特表示，即l l ，0 0 ，0 1 ，l o ) 间的幅度和相位关系，四个双比特符号 分别表示q p s k 信号的四个相位，相邻两个相位之间是相互正交的，对于 & 嗽( t ) = i ( t ) c o s c o 。t + q ( t ) s i n c ot 的情况，星座图如图2 3 ( a ) 所示： k久一 ky 7k久 ky 7 ( b ) 图2 - 3q p s k 星座映射图 上图星座图中，l l ，o l ，0 0 ，l o 分别对应于己调信号相位初始载波相位通常 设为0 。在它们的相位偏移关系中，我们称，0 1 对1 1 ，0 0 对0 l 等，相位偏移9 0 。； 或者o o 对1 l 偏1 8 0 。事实上，在很多有关q p s k 芯片对相位偏移的陈述中，都是 以符号o o 作为基准相位来加以描述的，如表2 - 2 所示： 表2 - 20 0 作为基准的相位偏移 i n p u tb i t sp h a s ec h a n g e 0 00o 0 19 0 0 1 09 0 o l l 1 8 0 o 上面的相位偏移，实际上都是对符号0 0 而言的。而且我们可以看出，这样的 相位偏移，其实就是图2 - 3 ( a ) 所介绍的星座图。 8 第二章q p s k 调制解调基本原理 相位偏移关系非常的重要，这对于我们实现自己的q p s k 关系非常大，否则 往往可能结果相反。比如前面那个例子，假如o l 对0 0 偏9 叽1 0 对0 0 偏9 0 。，那么 它们所对应的星座图，将会变成图2 3 ( b ) 的样子。 2 1 5 其它q p s k 简介 上面说的q p s k 调制方式，当基带信号经过脉冲成形时( 如升余弦滚降信号) ， q p s k 信号将失去恒包络的性质，当发生幅度为兀的相移时( 每个符号间的两位都 改变) ，将会导致信号包络瞬间过零点。任何一种在过零点的硬限幅或非线性放大， 都将由于信号在低电压时的失真而在传输过程中带来已被滤除的旁瓣，这显然是 并不希望的。为了防止旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放 大q p s k 信号。因而，产生了一种改进型的q p s k 信号，o q p s k ，即交错或参差 q p s k 。它的原理是让两路信号ii ( t ) 和q ( f ) 错开，让在任意时刻只有两个比特中 的一个改变它的值，这样符号间的相移都只限制在4 - 9 0 0 ，消除了1 8 0 。相位跳变带 来的负面影响。因为1 8 0 0 相位跳变消除了，所以o q p s k 信号的带限不会导致信 号包络经过零点。带限处理会造成一定程度的i s i 【9 】，特别是在9 0 。相位点。但是， 包络的变化小多了，因此对o q p s k 的硬限幅或非线性放大不会再生出像在q p s k 中那么多的高频旁瓣。 还有一种q p s k 调制方式，被称作n 4 q p s k ，它是o q p s k 和q p s k 的折衷， 它的符号间的最大相位跳变是1 3 5 0 ，因此，u 4 q p s k 比q p s k 有更好的恒包络 性质，但是对包络的变化比o q p s k 更敏感。但是，r d 4 q p s k 的最吸引人的地方是 它能够非相干解调，可使接收端设计简化。 2 2 q p s k 调制解调器的结构设计 本文选择f p g a 和调制解调专用芯片完成系统的设计，如图2 - 4 所示。 图2 _ 4q p s k 调制解调器结构设计 9 电子科技大学硕士学位论文 系统主要分为三个部分：f p g a 、调制解调芯片和q p s k 信号的转换、滤波和 放大处理模块。其中前两个本分是数字形式的，q p s k 信号的滤波和放大处理是模 拟形式的，两者通过模数或数模转换器来连接。 目前，在集成电路界a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 被认为是一种 为专门目的而设计的集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设 计、制造的集成电路。 采用a s i c 技术实现电子系统某些功能模块或子系统的设计方法，是当今电子 产品研发的最佳方法。随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正以速度快、容 量大、体积小、重量轻为发展方向。推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和 完善的a s i c 设计技术。a s i c 具有高集成度、高性能、高可靠性、高保密性等诸 多优点。应用工程师既可以在系统设计中采用本应用领域内的专用a s i c 芯片，也 可以针对具体的设计目标，利用e d a ( 电子系统辅助设计集成开发环境) 工具在 大规模可编程器件上通过编程实现所需的模块功能，或者，当产品批量很大时， 自行设计专用集成电路，集成电路生产厂则按照客户的设计数据提供定制a s i c 的加工服务。通过这样的方式，就可以将系统某一部分功能用a s i c 来实现，甚至 将系统做到一块硅片上( s o c ) 。这种方式使得设计更为灵活方便，在调试过程中 若有变动，可以直接对a s i c 的设计程序进行修改，不需要更改系统设计方即使在 方案调整或是设备更新换代时，原始硬件平台很多时侯仍然可以不需更改，只须 改变a s i c 的配置数据即可，这样，就大大节约了产品的研发成本，缩短了产品 更新换代的时间，因此，这种方法已经成为被广泛采用的电子产品研发方法。 f p g a 【i u j ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是a s i c 的近亲，它是在c p l d 的 基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用s r a m 工艺，也有一 些专用器件采用f l a s h 工艺或反熔_ 经( a n f i - - f u s e ) i 艺等。f p g a 的集成度很高，其 器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成及其复杂的时序与逻辑电 路功能，适合于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。f p g a 的基本组成部 分有可编程输入与输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块r a m 、丰富的布线 资源、底层嵌入功能单元、内嵌专门硬核等。 f p g a 可使硬件电路能用软件进行设计，它具有可重复编程，使用灵活等特点。 近年来f p g a 得到了越来越广的使用。尤其是在对基带信号的处理和整个系统的 控制中i i ，f p g a 不但能大大缩减电路的体积，提高电路的稳定性，而且先进的开 发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。 本文中f p g a 除了配置和控制调制解调专用芯片以外，还进行了基带信号处 1 0 第二章q p s k 调制解调基本原理 理，本文中主要指的是信道纠错编解码的设计，利用f p g a 来实现编解码电路是 十分方便的。 电子科技大学硕士学位论文 第三章q p s k 调制器的设计与制作 3 1调制器硬件设计 本文所设计的q p s k 调制器由系统数据输入部分( 由a d c 完成) 、系统控制 与数据处理部分( 由f p g a 完成) 、数据接口( 简易u s b 接口) 、调制部分( s t e l - 1 1 0 9 ) 和带通滤波器组成，系统频率为6 5 5 3 6 m h z 。系统基本结构框图如图3 1 所示： 图3 1q p s k 调制器结构框图 a d c 采用t i 公司的t l c 5 5 1 0 ，它是c m o s 型，8 一b i t 精度( 并行输出) ，采 样速率高达2 0 m b p s 的高性能模数转换器，采用单5 v 供电，工作时功耗小于 1 3 0 m w 。 本系统中f p g a 采用a l t e r a 公司通用低成本c y c l o n e 系列的e p l c 3 t 1 4 4 1 2 】， 此f p g a 具有2 9 1 0 个l e ，1 3 个m 4 kr a m ，一个p l l 1 3 1 。f p g a 为a d c 提供合 适的采样频率，为s t e l - 1 1 0 9 提供合适的主频率，配置s t e l - 1 1 0 9 的工作方式并 将需要调制的数据送往s t e l - 11 0 9 。 此外，为了调试方便，本系统中加入了基于f t 2 4 5 b l 的一个简易u s b 接口， 用以和计算机接口，这样我们就可以通过计算机直接和f p g a 进行数据交换，在 调试过程中可以为s t e l - 1 1 0 9 提供配置数据和信号。本文3 4 节将对简u s b 接口 进一步作详细介绍。 s t e l - 1 1 0 9 对输入数据完成q p s k 调制以及输入信号的信道编码等。 1 2 第三章q p s k 调制器的设计与制作 s t e l 1 1 0 9 接收来自数据终端的数据流并进行比特变换，将数据流比特b 1 和b 0 转换成为码元比特i 1 ：o 】和q 1 ：0 】。码元转换单元将码元比特根据调制星座图变换 为星象点。i 1 ：0 和q 1 ：0 两支路数据经滤波后分别进行正交调制，合成q p s k 调 制信号并输出。 输出的调制信号要经过带通滤波器( b p f ) 进行滤波处理，滤波器采用6 阶无 源l c 滤波器【1 4 】，输入阻抗为7 5 q ，输出阻抗为5 0 f 2 。 硬件板卡如图3 2 所示： 图3 2 调制器板卡图 由于板卡上涉及到很多的模拟地，在p c b 设计过程中，需将模拟地与数字地 之间用一道细线隔开，这样将电路板分成了两个片区，之间由磁珠相连实现单点 共地，对于a d 来说，尽量把其模拟部分置于电路板的模拟片区，数字部分置于 电路板的数字片区。 3 2 调制芯片的功能模块及技术分析 3 2 1调制芯片s t e l l1 0 9 的功能简介 s t e l 11 0 9 1 5 1 是一种集b p s k 、q p s k 和1 6 q a m 于一身的高集成度、高灵敏 性、支持突发传输的多功能调制芯片，主频高达1 6 5 m h z ，输出中频为5 , - - 6 5 m h z 。 s t e l - 1 1 0 9 自带5 8 个可读写寄存器，用以设置：芯片的调制方式、数据速率以及工 1 3 电子科技大学硕士学位论文 作状态等。 s t e l - 1 1 0 9 的内部由数据通路和控制单元两部分组成。数据通路分为比特同 步模块、比特编码模块、f i r 滤波器、内插滤波器以及调制模块等；控制单元分为 总线接口单元、时钟产生单元和数控振荡器三部分。其基本结构如图3 3 所示： 图3 3s 1 陋l 1 1 0 9 内部结构 3 2 2 数据通路结构 3 2 2 1比特同步模块 比特同步模块的作用是锁定输入数据并与时钟同步，锁定输入数据的方式分 为两种：由内部比特时钟b i t c l k 下降沿锁定的主模式和由外部时钟t c l k 上升 沿锁定的从模式。 一旦数据被锁存，同步电路将重启b i t c l k 和符号率s y m p l s 的计数器。重 启后，b i t c l k 将首先呈现高电平，s y m p l s 将一直为低直到当前符号的最后一 个比特被b i t c l k 的下降沿锁存，则发一个时钟周期的高电平。 3 2 2 2比特编码模块 比特编码模块实现对输入数据的r s 编码【1 6 1 1 7 1 和扰码编码，编码器和扰码器 的选择可通过硬件( p i n ：r d s l e n 和s c r m e n ) 控制，也可以由寄存器控制。图 3 _ 4 给出了比特编码模块的内部结构，从图中可以看出，r s 编码器和扰码器是并 行的，用户可以控制输入数据进行任一种编码，或者不进行任何编码，或者进行 两种编码且编码顺序是可控的，两路编码后的输出数据通过选择器选择输出。 1 4 第三章q p s k 调制器的设计与制作 s c r b 皿i 图3 4 比特编码模块 r s ( r e e d - s o l o m o n ) 编码器 r s 码是一种扩展的二元b c h 码，它最早是由r e e d 和s o l o m o n 在2 0 世纪6 0 年代提出的。它能够有效地纠正随机错误和突发错误，降低了误码率，提高了系 统的稳定性，在数字通信领域得到了广泛地应用。r s ( r e e d - s o l o m o n ) 码在伽罗华域 ( o f ，g a l o i sf i e l d ) 中进行运算。在g f ( 2 m ) 域中，助记符r s ( m ，n ) 的含义如下表 所示： 表3 - 1r s 码参数含义 m 表示符号的大小，如h = 8 表示符号由8 位二进制数组成 m 表示码块长度 n 表示码块中的信息长度 k = m - n = 2 t 表示校验码的符号数 t 表示能够纠正的错误数目 例如，r s ( 3 2 ，1 6 ) 码( 这里指的是r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 的截短码) 表示码块长度共3 2 个符号，其中信息代码的长度为1 6 ，检验码有3 2 1 6 = 1 6 个检验符号。在这个由3 2 个符号组成的码块中，可以纠正在这个码块中出现的8 个分散的或者8 个连续的 符号错误，但不能纠正9 个或者9 个以上的符号错误。 该调制芯片自带一个标准的r s 纠错编码器，该编码器定义在g f ( 2 5 6 ) 上， 其本源多项式有两种表示方式： 尸( x ) = 工8 + x 4 + 石3 + x 2 + l( 3 - 1 ) 1 5 电子科技大学硕士学位论文 对应生成多项式为： 或者 对应生成多项式： 2 t - i g ( 工) = n ( x - a ) l 口枷胛 p ( x ) = ，+ 工7 + ，+ 工+ 1 1 1 9 + 2 r g ( 曲= h ( x - a ) i 。瑚日 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 该r s 编码器具有可编程性，具有l 1 0 个字节的纠错能力，编码块长度达3 2 5 5 个字节。本文中采用第一种方式，本文对其编码算法作简要概述。对于缩短码 r s ( 3 2 ，1 6 ) 的情况，编码电路结构图如下所示： o 有限椽洒加潞 i 要1 3 - 5r s ( 3 2 ，1 6 ) 编码电路结构图 当我们用m = ( m o ，强，一) 表示g f ( 2 8 ) 上的k 个信息序列，该信息矢量的多 项式表示为： m = t o o + m ：+ + m t l 矿一1 ( 3 - 5 ) 将左移2 t 位后的多项式与生成多项式出) 相除，得到： c = 工2 m ( 力+ p ( 力( 3 - 6 ) 1 6 第三章q p s k 调制器的设计与制作 其中p ( x ) = 工舢m ( x ) m o d g ( x ) ，可见它的次数低于2 t ，p ( x ) 被称为检验多项式， 用矢量形式表示编码后的c ( x ) 可表示为： c 2 【，p i ，仍一，m o ，码，一i j ( 孓7 ) 可见，编码后的码字中，信息位和校验位是分开的。因此，r s 编码就是解决 以生成式g ( x ) 为模的除法问题。 扰码器 扰码器用作将输入串行数据随机化以避免输入数据重复输入模式下产生很强 的频谱分量。该扰码器采用一个p s e u d o r a n d o m ( p n ) 生成器产生一个p n 码的方 式，如下图所示： 圈3 _ 6 扰码器结构 所有的具有宽度为2 4 的寄存器组中的寄存器内容可任意组合构成生成多项式 p = c 2 4 工2 4 + c z 3 ，3 + + q x + l 的2 4 个系数。该扰码器要么是帧同步的，要么是 自同步的。 d q p s k 差分编码模块 相移键控的调制模式下，若符号间的相位变化以未调载波的绝对相位作为参 考基准，即利用载波相位的绝对数值来传送数字信息，会导致在接收端进行相干 解调时存在的参考载波相位模糊度问题。具体地说，就是当接收端锁相环锁定在 稳定平衡点上时，恢复出的相干本地载波可能与所需要的理想本地载波同相，也 可能反相，即可能出现0 、冗相位模糊。这是用锁相环从抑制了载波的相移键控信 号中恢复载波时不可能避免的共同问题。这将导致解调得到的数字信号可能极性 完全相反，从而0 、l 倒置。 解决这个问题的有效的方法就是在调制器输入的数字基带信号中采用差分编 1 7 电子科技大学硕士学位论文 码。将差分编码后的数字基带信号再用于相移键控调制。因此，它不是采用载波 相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对相位变化来传送数字信息。 当用有相位模糊度的载波进行相干解调时并不影响相对关系，因此虽然得到的相 对码可能是0 、1 完全倒置的，但经差分译码得到的绝对码不会发生任何倒置现象， 从而克服了载波相位模糊度问题。 d q p s k 差分编码算法比较复杂，第k 位的编码输出不但与第k 位的同相输入 ( i ，m 和第k 位的正交输入( q ，n ) 有关，而且还与第k 1 位的i 和q 的四种初始 状态有关，输出共有1 6 种可能性。实际上，差分编码的方式有两种，一种是格雷 码编码的差分编码方式，另一种是自然码差分编码。利用格雷码实现差分编码的 方法如下表所示。 表3 - 2 格雷码实现差分编码 当前输入当前输出下一输出 相位偏移 ( 磷磷)( i 2 础)( 尝”晓山k - 1 ) ( d e g r e e s ) 0 00 0o 0 10 19 0 0 0 1 01 09 0 l ll l1 8 0 0 00 1- 9 0 0 1l l1 8 0 0 1 l o0 00 l l 1 0 9 0 0 01 09 0 0 10 0o 1 0 1 0 l l1 8 0 l l0 19 0 0 0l l1 8 0 0 l1 09 0 l l 1 00 19 0 l l0 0 o 编码的逻辑表达式为： 如果掣o 簖- - 0 ，则本次输出 匕= o i 。r k - d 醵= 磁。簖” 如果尝n ( 1 ) 一0 k - - - - - 1 ，则本次输出 匕= 磁o i 2 - d 珐= 艺。璐1 1 8 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 孓1 1 ) 第三章q p s k 调制器的设计与制作 这是数字电路实现格雷码差分编码的方法。实际上，从另外一个角度来看， 差分编码就是将当前的输入符号与上一次编码的输出符号模4 相加作为本次输出， 格雷码差分与自然码差分的区别仅在于比特流与符号之间的映射关系不同。 格雷码编码的符号映射规则是：0 0 0 ，0 l l ，1 1 2 ，1 0 3 ，而自然码编 码的符号映射规则是：o o 一0 ，o l l ，l o 一2 ，l l 一3 。在符号时钟( 相对比特时 钟速率减半) 的驱动下，每时钟周期进入差分编码器的i 、q 两路二进制比特合在 一起映射成符号，映射规则可以是格雷码或者自然码编码方式，映射之后的符号 再与该差分编码器上一次的输出符号进行模相加作为本次差分编码的输出符号 ( 仍然以两位二进制比特的形