（通信与信息系统专业论文）qpsk中频全数字解调器的设计与fpga实现.pdf

硕士论文 q p s k 中频全数字解调器的设计与f p g a 实现 摘要 随着数字信号处理技术和大规模集成电路的飞速发展以及软件无线电技术的广泛应 用，中频全数字解调技术得到了进一步的发展，在无线通信中得到了广泛应用。 论文简要介绍了q p s k 数字调制的基本原理，对q p s k 中频全数字解调器的原理和 f p g a 实现进行了深入的研究。本文使用基于快速傅里叶变换( f f t ) 的频偏估计算法 对中频载波进行大频偏校正，并对该算法进行了理论分析和性能仿真验证了它的可行 性。对全数字c o s t a s 环载波相位跟踪和基于g a r d n e r 算法的反馈插值码元同步算法进行 了理论分析和性能仿真，通过计算机仿真得到了载波和位同步算法的信噪比损失。在 a l t e m 公司q u a r t u si i8 1 开发环境下，完成了中频全数字解调器的f p g a 实现，并对数 字下变频、载波同步、位同步等解调器的核心模块设计进行了详细的分析和说明，给出 了实现框图和仿真波形。同时在本设计中应用了a l t e r a 公司的n i o si i 软核处理器技术， 用于载波的大频偏校正和解调器各个部分的监测和控制。最后给出了q p s k 中频全数字 解调器关键性能指标的测试方法和测试结果，测试结果表明本设计达到了预期的性能指 标要求。 目前q p s k 中频全数字解调器的设计和f p g a 实现项目已经顺利通过验收。 关键字：全数字解调，q p s k ，载波同步，位同步，n i o si i 处理器 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dl a r g es c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，嬲w e l l 嬲t h ew i d e l yu s eo fs o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y , a l l - d i g i t a li f d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nf u r t h e rd e v e l o p e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n db e e n w i d e l ya p p l i e d t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fq p s kd i g i t a lm o d u l a t i o n , m a i n l ya s t u d yo ft h eq p s k - b a s e dd i g i t a li fd e m o d u l a t o rd e s i g na n df p g ai m p l e m e n t a t i o n t h e d e s i g ng i v e ni nt h i sp a p e ra p p l i e sf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gf a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ( f f t ) f o rt h el a r g ef r e q u e n c yo f f s e tc o r r e c t i o nw h e nd i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nb ym a t l a ba r et a k e nt ov 嘶匆t h ef e a s i b i l i t yo ft h e a l g o r i t h m t h ec a r r i e rp h a s et r a c k i n ga n db i ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sa l s oc a r r i e do u ta s i m i l a ra n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o nh a sb e e nt h r o u g ht h ea l g o r i t h mf o rs n rl o s s t h e nt h e a l g o r i t h mi sc o n v e r t e dt oh d ld e s c r i p t i o nf o rf p g ar e a l i z a t i o n t h ed e s i g n so ft h ec o r e m o d u l e so fd e m o d u l a t o r , i n c l u d i n gd i g i t a ld o w n - c o n v e r s i o n ，c a r r i e rr i n g ，b i ts y n c h r o n i z a t i o n l o o pd e s i g n , a r ed e s c r i b e di nd e t a i l a n dab l o c kd i a g r a ma n ds i m u l a t e dw a v e f o r m sa r e p r o v i d ei nt h el a t t e rp a r t a l s ot h es o f t - c o r ep r o c e s s o rt e c h n o l o g yo fa l t e r a sn i o si ii sa p p l i e d i nt h ed e s i g nf o rc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tc o r r e c t i o na n dt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft h e s e p a r a t ep a r t so fd e m o d u l a t o r f i n a l l y , t h et e s t m e t h o d sa n dr e s u l t so fk 匆p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so ft h ei fd e m o d u l a t o rq p s ka r eg i v e nt os h o wt h a tt h ed e s i g ng i v e ni nt h i sp a p e r c a nr e a c ht h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t se x p e c t e d a tp r e s e n t , t h ep r o j e c to ft h ed e s i g na n df p g ar e a l i z a t i o no fa l l d i g i t a lq p s k d e m o d u l a t o rh a sb e e ns u c c e s s f u l l yp a s s e dt h ei n s p e c t i o na n dc o m p l e t e dt h eh a n d o v e r k e yw o r d ：a l l - d i g i t a ld e m o d u l a t i o n ，q p s k , c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ，b i ts y n c h r o n i z a t i o n ， n i o si ip r o c e s s o r 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，不包含其他入已经发 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 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：匿盈耋：氐 加。年f 月叫日 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：置缝：叁加f 0 年月z 日 硕士论文q p s k 中频全数字解调器的设计与f p g a 实现 1 绪论 1 1 研究背景 随着计算机和数字信号处理技术的不断发展，通信技术也发生了革命性的变化，计 算机技术、数字信号处理技术和通信技术的结合是现代通信技术的标志。通信的发展经 历三个阶段：通信初级阶段是以发明电报为标志；近代通信阶段是以香农提出的信息论为 起始；现代通信是以光纤通信为代表的协议综合业务数字网迅速崛起为代表。卫星通信技 术和移动通信技术以及光纤通信技术成为现代通信技术的三大主要发展方向n 1 。 数字调制解调技术是通信技术领域中非常重要的一个方面，最近几年得到飞速的发 展。随着数字调制技术的出现，以前使用的模拟调制方法可以用数字调制的方法实现， 而与模拟调制相比数字调制有更高的可靠性和抗干扰性。与此同时与调制相对应的解调 技术也完成了从模拟到数字的演变，近几年兴起的软件无线电技术使得中频全数字解调 成为现实。软件无线电技术的基本思想是把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多 的无线通信功能用软件来实现，减少模拟电路部分对整个解调的影响。 本文主要研究在a l t e r a 公司的s t r a t i xi i 系列的e p 2 s 6 0 f 1 0 2 0 芯片上实现整个数字解 调器的设计，除了充分利用f p g a 芯片灵活而丰富的逻辑资源，还成功应用了a l t e r a 公 司近几年推出的n i o si i 软核处理器技术。n i o si i 软核处理器是a l t e r a 公司的第二代用 户可配置通用3 2 位r i s c 软核微处理器，是a l t e r a 公司特有的基于通用f p g a 架构的软 c p u 内核。n i o si i 处理器可以根据需要来调整嵌入式系统的特性以及性能，可以快速的 完成设计，并且支持c 语言编程，因此可以大大降低系统设计的难度，提高设计效率。 1 2 数字调制解调技术的发展现状 目前应用非常广泛的调制解调技术是q p s k 调制解调技术，该技术的实现主要是利 用数字电路和专用芯片来完成。q p s k 调制通常利用可编程数字电路对基带信号进行码 元变换，成型滤波等处理后得到同相分量和正交分量，然后将两路信号分量经过数模转 换获得模拟信号送入一个正交相乘器与中频载波调制得到中频q p s k 调制信号。传统的 q p s k 解调技术是将模拟的调制信号下变频成基带信号后进行模数转换，将数字信号直 接交给专用数字解调芯片或可编程数字电路处理后得到数据。随着模数转换器a d c 的 发展和数字信号处理速度的提高，q p s k 解调的混频、数字下变频等功能都能够使用数 字电路完成，使得解调全数字化。 中频全数字解调是采用软件定义无线电( s d r ) 思想，它是软件无线电的一部分。 l 绪论硕士论文 在1 9 9 2 年美国第一次提出s d r ，它是一种实现无线通信的新体系结构。现在对软件无 线电的定义有很多种，但在国际上还没有统一的标准，这里采用美国m i t r e 公司的 j o s e p hm i t o l a 对软件无线电的定义：“软件无线电是多频带无线电，它具有宽带的天线、 射频转换、模数和数模变换，能够支持多个空中接口和协议，在理想状态下，所有方 面( 包括物理空中接口) 都可以软件定义”【2 】。目前，以通用的可编程器件和数字信号 处理器等构造硬件平台，实现不同应用功能的软件无线电技术，在数字调制解调领域得 到广泛的关注。 软件无线电的数字化基本结构有三种：射频直接低通采样数字化结构、射频带通采 样数字化结构、宽带中频采样数字化结构【l 】。前两种结构为理想或接近理想的软件无线 电结构，它们将除了天线部分的其他传输部分全部数字化，包括下变频、滤波、载波同 步、位同步部分，可以在构建的硬件平台上用软件实现。但是这两种结构对a d 转换器 的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等指标提出了非常高的要求，同时对数字信号 处理的处理速度要求也特别的高，因此前两种结构对器件的要求在现阶段是难以实现 的。宽带中频采样数字化结构虽然距离理想的软件无线电要求较远，但却是目前能够实 现的数字化结构，可以对射频信号经变频处理后得到宽带中频数字信号进行数字化处 理。图1 1 给出宽带中频全数字接收机的实现框图，在进行全数字解调前，首先将射频 信号下变频到中频，然后由高速a d c 对中频模拟信号进行模数转换后将数字信号送给 后面的数字电路处理。 叫暑圃! - 国 图1 1 中频数字接收机实现框图 在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是通过模拟处理的方法和模拟器件 实现的，它们的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，器件内部噪声比较大，易受环境影响，可靠性比 较差，因此，这种传统的接收机不能完全发挥数字通信的优势，不可能实现数字信号的 最佳接收【3 1 。随着超大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展和工艺的进步，数字集成电路的 复杂度和功能得到了飞速的发展，数字通信中解调算法的数字化实现已经不再是一件可 望而不可及的事情。无论是通信系统的内在要求( 即数字解调算法) ，还是外在条件( 信号 处理器件的技术和工艺) 都在促使通信接收的解调向全数字化发展。 2 硕士论文q p s k 中频全数字解调器的设计与f p g a 实现 目前已经有多种成熟的全数字解调算法被提出，甚至成功应用在解调系统。全数字 解调的载波和定时同步的恢复方式分两种，它们分别是基于前馈的补偿方式和基于反馈 的锁相环方式。基于前馈的补偿方式的同步速度很快，但锁定的精度不如锁相环，适于 突发解调方式。由于反馈系统的稳定需要一个调整过程，在系统的调整期间，锁定的误 差会较大，这种工作原理限制了锁相环方式的同步速度，但是锁相环一旦锁定，则锁定 误差很小，所以这种方式适于连续解调方式。在这两种恢复方式中，其核心都是载波相 位和时钟同步相位环路参数的估值的算法。目前参数估值己经有很多的算法，但是应用 于全数字解调的算法应考虑到以下几点：首先，算法在稳定情况下应是无偏而且有效的； 其次，算法的收敛速度要足够的快：最后，算法应比较适于用d s p 或硬件实现【3 j 。 现在以专用集成电路、数字信号处理器和现场可编程门阵列为代表的i c 已经在全数 字调制解调中得到广泛的应用。目前国内外已有一些关于全数字q p s k 调制解调器的研 究成果和芯片问世。 国外的如比利时n e w t e c 公司的n t c 2 0 7 7 f t ；美国休斯公司的b c d 4 c m 5 0 0 0 ；s t 公司的s t 5 5 0 0 ，s t 5 5 1 8 ；美国h a r r i s 公司和德国h i r s c h m a n n 赫斯曼公司也都有相关 的专用芯片；i n t e l 公司的s t e l 一2 1 7 6 是一款全数字调制解调芯片，兼容i e e e 8 0 2 1 4 、 m c n s 和d a v i c 等标准。解调部分可直接输入高达5 0 m h z 的中频模拟信号，信号带宽 可达8 m h z ，可解调1 6 6 4 2 5 6 q a m 的连续信号；调制部分可输出5 m h z - - 6 5 m h z 的连 续突发信号，调制方式可以是b p s k j q p s k q a m ，速率最高可达4 0 m b s ( 1 6 q a m ) 。 国内的如北京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 。该芯片包括载波恢复、符号同步、解调、前向纠错和码流解扰。清华 大学微波与数字通信国家重点实验室用a s i c 实现了一种参数可变b p s k q p s k 数字突 发调制器，使用了2 片a l t e r a 公司的f l e x l 0 k 系列的芯片来具体实现该数字调制器设 计，并搭建了外围调试用的板级电路。 这些芯片基本都是针对某些特定应用设计的，只能在比较小的范围内调整。用可编 程器件实现的全数字调制解调器是一种用户全定制的调制解调方案：所有的参数都可以 按照每个特定的用户来修改，做到最优化。f p g a 还具有静态可重复编程和动态系统重 构的特性，使得硬件可以像软件一样编程修改，提高了电子系统设计的灵活性和通用性。 1 3 本文的主要工作与内容安排 本文针对某霄达主站、辅站间的宽带数据传输需求，开展q p s k 中频全数字解调器 的设计与f p g a 实现研究，完成了中频数字解调载波同步、位同步算法的性能仿真、评 估，设计、实现了q p s k 中频全数字解调器，在用户提供的硬件平台上进行性能测试， 达到了规定的各项技术指标要求。q p s k 中频全数字解调器主要技术指标如下： l 绪论硕士论文 ( 1 ) q p s k 符号速率：8 m s p s ； ( 2 ) 输入信号范围：5 0 + 5 d b m ； ( 3 ) 载波捕获带宽：优于o 8 符号率，并优于5 0 k h z ； ( 4 ) 载波同步带宽：优于o 9 符号率，并优于5 0 k h z ； ( 5 ) 时钟捕获带宽：优于0 0 4 符号速率； ( 6 ) 时钟同步带宽：优于0 0 5 符号速率； ( 7 ) 误码率要求：q p s k 调制解调( 不含纠错编码) 在b e r = 1 0 - 3 1 0 。5 范围内，毛o 偏离理论值不超过2 d b ( q p s k ) ：q p s k 码率1 2 、v i t e r b i 解码的误码率为1x l o 6 量级时的e n 偏离理论值不超过2 d b 。 本文的主要工作包括： 1 ) 采用基于快速傅里叶变换( f f t ) 的频偏估计算法，用于解调环路开始工作时本 地载波的大频偏校正，它能直接检测得到载波频偏绝对值大小，并且通过n i o si i 软核 处理器完成整个算法。 2 ) 研究q p s k 信号的载波相位跟踪，重点对c o s t a s 环载波相位跟踪算法进行了理 论分析，仿真得出载波同步算法对解调器误码性能的影响；并在q u a r t u si i 软件开发平 台下，完成了载波同步f p g a 实现的软件设计及仿真。 3 ) 研究q p s k 信号的位同步算法，采用基于g a r d n e r 算法的反馈插值码元同步方法， 仿真得出位同步算法对解调器误码性能的影响，并在q u a r t u si i 软件开发平台下，完成 了位同步f p g a 实现的软件设计及仿真。 4 ) 设计q p s k 中频全数字解调系统的实现方案，在一片f p g a 芯片上实现了包括 数字a g c 、中频下变频、载波同步、位同步、信道解码在内的完整q p s k 解调系统。 5 ) 设计实现了基于n i o si i 处理器的状态监视和控制模块，可以对解调器中的载波 同步和位同步模块的同步锁定状态进行监视，并控制解调器各个模块工作的先后顺序。 n i o si i 处理器的应用加快了项目开发进度，缩短了硬件调试时间。 论文的章节安排如下： 第一章介绍本课题的背景，数字调制解调器的发展现状。 第二章介绍q p s k 调制解调的原理，并对整个q p s k 解调器系统的构成进行了简要 概述；本章重点对数字下变频、基于f f t 的大频偏校正原理、载波同步原理、位同步原 理进行了较为详细的介绍和理论推导，并通过m a t l a b 对其性能进行了分析。 第三章介绍了q p s k 中频数字解调器的f p g a 实现，重点对解调器的数字下变频、 载波环路核心模块和位同步环路的核心模块进行了详细介绍并给出仿真波形。 第四章介绍n i o si i 处理器的基本知识，并详细说明了它在解调器中的作用和设计 实现。 第五章给出了中频全数字解调器硬件是实现的相关技术指标和测试方法。 第六章给出全文总结。 4 硕士论文 q p s k 中频全数字解调器的设计与f p g a 实现 2q p s k 全数字调制解调原理 2 1q p s k 调制原理与调制信号产生 2 1 1q p s k 调制原理 正交相移键控( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，q p s k ) 也称为四进制相移键控，是多 相相移键控( m p s k ) 中常用的一种，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【4 j 。 q p s k 信号可以表示为 厅f s o e s r ( t ) 2 等e o s ( w c t + t p i ) ，江o ，1 ，2 ，3 ( 2 l 1 ) 其中，e 为信号在一个码元间隔内的能量，c 为一个码元周期，w c 为载波角频率，职为 四种可取值的相位，在本项目中四种相位分别为冗4 ，3 兀4 ，5 兀4 ，7 兀4 。 q p s k 信号只是用来携带基带信号的数字信息，而且经过成型滤波器来得到适合于 信道的传输波形。成型滤波器不仅可以平滑波形，提高频带利用率，而且可以消除码间 干扰。成型滤波器函数通常采用平方根升余弦滚降特性，其时域表达式如式2 1 2 所示。 办( f ) = 1 0 【+ 鱼 冗 老附+ 争s 眦丢川t 一詈细s c 丢刀 t = 0 r f = 一 ( 2 1 4 a 2 )l 二。二， 其它 平方根升余弦滤波器频域表达式如式2 1 3 所示，式中0 为滚降因子，决定成型后基 带信号的带宽，一般0 a 1 ； 为奈奎斯特带宽( 无码问干扰传输的最小带宽) 。 g ( 厂) = 1 1 厂i 厶( 1 + a ) 2q p s k 全数字调制解调原理硕士论文 基 数 数卷码 叫茎蒌h 蒌茎r + 正 据积 - d ， 兀交 加 _ _ 编 映调 -a 带 扰 码 射 唯旧 制 通 图2 1 1q p s k 调制信号产生框图 调制器工作的基本过程：数据以8 m b p s 的速率串行传输给调制器，调制器对数据进 行加扰，数据加扰的目的是使输出数据随机化，改善输出基带数据的频谱特性。通常采 用数据序列与m 序列模2 加的方法实现数据加扰，一般要求m 序列的长度远大于数据 帧的比特数。对加扰后的数据进行卷积编码，卷积编码是为了提高系统的误码性能。将 两位二进制代码映射成i q 基带矩形脉冲波形，二进制符号“1 映射成+ 1 ，符号“o 映射成一l 。码元映射后i q 支路的符号速率为8 m s p s 。成型滤波器的作用有两个：一 是平滑波形，使调制信号频谱带外衰减加快，提高频带利用率；二是为了消除码间干扰。 在本系统中i q 基带符号速率为8 m s p s ，中频采样频率为1 6 0 m h z ，通过成型滤波 器、多级内插滤波器使采样频率从8m h z 提高到1 6 0m h z 。在成型滤波时实现对基带 信号的5 倍内插，得到4 0 m h z 的基带采样信号，然后用两级2 倍内插的半带滤波器实 现4 倍内插，最后得到1 6 0 m h z 的采样频率。 正交调制实现i q 支路的基带信号与中频同相、正交载波相乘及正交信号合成。调 制后的正交调制信号经过d a c 转换变成模拟信号后经过中频6 0 m h z ，带宽为1 5 m h z 的带通滤波器，将带外信号滤除，带通滤波之前的调制信号频谱如图2 1 2 所示。 6 碗士论文q p s k 中频生数字解调器的设计与f p g a 实现 口246b1 01 21 4 1 6 x 仃 图2 12 调制信号频谱 由于q p s k 数字调制不是本论文重点因此这里就不对q p s k 数字调制的原理展开 具体的论述。 2 2q p s k 中频全数字解调原理 2 2 1q p s k 中频全数字解调组成 q p s k 中频全数字解调的组成框图如图2 21 所示它主要由模拟前端电路和f p g a 中频全数字解调的处理单元组成。 图2 21 中频全数字解调器组成框图 下面分别简述各个模块的功能。 模拟前端的功能就是把6 0 m h z 中频输入信号经过a d 采样变为数字信号后送入 f p g a 中。该部分主要包括自动增益控制( a g c ) 、抗混叠滤波器和模数转换( a d c ) 0 2q p s k 全数字调制解调原理 硕士论文 三部分。自动增益控制的作用是根据输入信号幅度控制a g c 放大器增益，放大器输出 信号幅度控制在适合模数转换器采样某一范围内，以减小a d c 的过载噪声；抗混叠滤 波器是滤除掉带外的频率分量，只保留6 0 m h z 的中频分量，确保随后的采样不会发生 频谱混叠；最后模数转换用8 0 m h z 的采样频率对中频模拟信号进行采样，得到1 6 位的 数据送入f p g a 数字信号处理单元中。 f p g a 数字信号处理单元是整个中频全数字解调的核心，它完成了中频信号到基带 信号的转换，并完成解调出来的码元的译码和组帧输出等功能。它主要由以下几个功能 模块实现： 数字下变频模块完成将a d 带通采样数据与n c o 产生的两路正余弦序列相乘， 将接收的中频信号的频偏搬移到零频，输出i q 两路同相和正交分量，然后通过低通滤 波器将高频分量滤除。 匹配滤波器的传输特性为平方根余弦滚降特性，且滚降因子与成型滤波器相同： 匹配滤波器与调制端的成型滤波器构成最佳基带传输系统，这样能使码元能量集中，对 减小码间干扰和定时提取非常有利。 a g c 控制模块通过对匹配滤波器的输出来判断输入信号的幅度的大小，从而来计 算信号需要调整的增益数，并将结果送给模拟前端的a g c 来完成输入信号幅度的调整。 位同步模块是从匹配滤波器输出的基带信号提取出v q 两路位同步时钟，并利用 该时钟对i q 两路数据进行内插重采样判决输出。 n i o si i 处理器系统设置n c o 的初始频率，并进行载波的大频偏校正，同时完成 对解调单元各个模块的控制和状态监视。 载波同步模块从位定时环路内插重采样的两路数据中，提取剩余载波频差，通过 调整n c o 来完成剩余载波频差的消除。 数据处理单元，完成解调数据的解相位模糊、帧头检测、v i t e r b i 译码、数据解扰 等功能，同时将解调出来的最终数据组成固定的帧格式后通过c p c i 接口送出去。 根据中频全数字解调组成框图中可以知道解调器的基本工作过程：a d c 以8 0 m s p s 采样频率对6 0 m 中频信号进行带通采样，这样一个符号采十个样点。a d c 的采样点首 先完成数字下变频，然后进行匹配滤波。数字匹配滤波的输出数据作为位定时跟踪环路 的输入，这部分数据经过位定时环路的调整可以得到准确的位定时信息，并输出最佳的 码元采样点；同时位定时环中的n c o 生成同调制端同符号频率的8 m h z 位时钟。在解 调器刚开始工作的时候位定时环锁定后的输出样点先送入n i o si i 处理器进行载波的大 频偏校正，校正完成后位环输出的数据就可以送给载波环，载波环进行剩余频偏校正。 当载波和位同步环路锁定后，位定时环的输出就送给后端的数据处理单元进行相应处 理。 8 硕士论文q p s k 中频全数字解调器的设计与f p g a 实现 2 2 2 数字下变频 数字下变频器( d d c ) 将数字化的中频信号搬移至基带，得到正交的i 、q 数据。d d c 由数控振荡器( n c o ) 、混频器( 乘法器) 、低通滤波器( l p f ) 三部分组成。 在一般信号处理过程中，要求采样速率大于信号最高截止频率的两倍，这样才可能 唯一地恢复出原始信号，否则，频谱会产生混叠而得不到原始的信号。不过采样速率达 不到奈科斯特采样率，欠采样技术就得到了应用，即以小于信号最高频率的两倍速率进 行采样，这种采样又称带通抽样，适合带通信号。只要满足带通采样的采样频率，同样 可以使信号频谱不发生重叠。 n c o 的作用是产生正弦、余弦序列。n c o 采用直接数字合成( d d s ) 的方法实现： 通过相位累加器得到相位值，将相位值截短后查正弦或余弦表，得到所需的正弦和余弦 序列，但是相位值截短和生成正弦或余弦表时的幅度量化均会带来量化噪声。不过只要 相位累加器位数和正弦或余弦幅度量化位数合适，并不会对系统造成不利的影响。 低通滤波器的作用是消除混频后的高频分量，低通滤波器采用f i r 滤波器，具有稳 定、线性相位和易于实现等优点。 下面给出数字下变频的理论依据和数学推导。 设输入q p s k 信号为 s ( k ) = 刃( k ) c o s ( o 。后) 一如( k ) s i n ( o 。七) ( 2 2 1 ) 式中刃( 七) 和如( 七) 为同相和正交信道的符号，哦为载波频率。 假设本地的数控振荡器产生的载波信号为c o s ( q 七+ 叩) 和s i n 佃。k + 9 ) ，其中q 为输入 调制信号载波和本地产生的载波的相位差。 下面分别对i 路和q 路进行分析。 1 支路 ( k ) = c o s ( o d , 后+ p ) ( 面( 七) c o s ( 。七) 一如( 后) s i n ( o c k ) ) = ( 1 2 ) ( d t ( k ) c o s ( 2 c o 。七+ 叩) + 刃( k ) c o s ( p ) 一如( k ) s i n ( 2 t o 。后+ 中) + 如( d s i n ( q 0 ) ) ( 2 2 2 ) 通过低通滤波器后，滤除了高频分量后 j ( 七) = ( 1 2 ) ( 4 ( k ) c o s ( , p ) + 如( k ) s i n ( q 0 ) ) ( 2 2 3 ) 同理得到q 路的信号为 q ( 后) = ( 1 2 ) ( d ，( k ) s i n ( t p ) 如( 尼) c 0 s ) ) ( 2 2 4 ) 数字下变频的目的是为了去除载波频率得到基带信号，从理论上可以通过单通道处 理方式实现，但单通道处理时，输出基带信号频谱往往会出现混叠而失真，而如果采用 正交双通道复处理，却可以完整地保留相关信息，也可提高频带的利用率，所以正交双 9 2q p s k 全数字调制解调原理硕士论文 通道下变频模式被广泛应用【7 1 。 2 2 3 基于f f t 的载波大频偏校正原理 q p s k 调制信号的载波同步采用基于f f t 的载波大频偏校正结合c o s t a s 环来进行载 波相位跟踪的方法。当载波频偏远远小于符号速率时，该算法通过对i q 观测采样点的 非线性坐标变换和累加平均，可以在得到一个无偏的载波相位误差估计值；但是当载波 频偏大小对相位跟踪环路的性能或者对载波相位估计值是很敏感时，它将会导致相位误 差环路出现较大的相位偏差和相位抖动方差，从而使得系统信噪比实现损耗增大，恶化 系统性能【8 】。解决问题的最有效方法就是预先利用载波频偏估计进行检测与校正，来实 现载波频率的捕获与跟踪。 设调制信号经过数字下变频和定时恢复后得到符号的峰值采样点的频差为厶，相位 偏差q ，则输出信号可以表示为 l = e o s ( 巾 ，+ 2 n f d n + t p ) + 拧，( 2 2 5 ) q = s i n ( 巾肘+ 2 r c f d n + t p ) + ( 2 2 6 ) 式中吩，n o 为同相和正交支路的高斯噪声，兀为接收信号与本地振荡器的频差， 9 分别为q p s k 调制相位信息和载波相位差，叩m 取值为( p m = m g 4 + r e 4 ，m = o ，1 ，2 ，3 。 利用v i t e r b i o 非线性相位估计算法中坐标变换 9 1 ，可以计算得到i q 极坐标相位角， 并且对其进行4 倍放大处理，然后再对其进行正弦和余弦三角函数运算，即分别得到 = s i n ( 4 9 。+ 陆厶甩+ 却o ) ( 2 2 7 ) 或= c o s ( 4 q 。+ 跏厶刀+ 却o ) ( 2 2 8 ) 式中叩。为高斯噪声经过非线性变换后等效成的i q 相位角噪声。 由式2 2 7 和2 2 8 可见，通过非线性变换后输出信号包含了4 倍载波频差信息，可 以通过对，q 的处理得到载波频差信息。由文献 9 】的分析，对厶的最大似然估计值 出现在+ 砭傅里叶变换的峰值点上。因此，可以通过对+ j 晓做傅里叶分析得出载 波频差，若要求更精确的频率估计值，可以对+ 或进行s 倍抽取后，即降低采样频 率后再进行傅里叶变换，则相对符号速率的最小频率分辨率为1 ( 4 n s ) ，n 为f f t 点数。 图2 2 2 为基于f f t 载波频偏估计的仿真结果，接收q p s k 信号的载波频率为 2 0 m h z + 5 0 k h z ，本地振荡器载波频率为2 0 m h z ，符号速率为8 m s p s ，毛n o = 8 ，f f t 点数n = 1 0 2 4 。图2 2 3 的参数为接收q p s k 信号的载波频率为2 0 m h z - 5 0 k h z ，本地振 荡器载波频率为2 0 m h z ，符号速率为8 m s p s ，毛0 = 8 ，f f t 点数n = 1 0 2 4 。由仿真结 果可以看出，当本地振荡器频率高于接收信号频率时( 频差为正) ，分析得到的频率在 0 i m h z ；当本地振荡器频率低于接收信号频率时( 频差为负) ，分析得到的频率在 i 2 m h z ，由此可以判断载波频差的正负号。 1 0 硕士论文 q p s k 中频全数字解调器的设计与f p g a 实现 n 口 n 0 7 藿0 6 釜0 5 篁 0 4 丑 o 3 他 o o o2400 6 0 0 8 0 01 o 锄 f f l 啦字疑宰刻度值 e 。- 蛐l 魁 _ 晰胁舳倒埔瓤山脚州婶蝴埔嘲洲l 02400 6 0 08 0 0 1 0 1 2 f f t 敦字频率捌度值 图2 2 2f f t 载波频偏估计图2 2 3f f t 载波频偏估计 由墨嗽计算频偏估计值，图2 2 3 中a f = ( k m 戤- 1 ) 1 0 2 4 x 2 m h z = - 5 0 7 8 1 k h z ，图 2 2 3 中鲈= ( k 蜮一1 1 0 2 4 ) 1 0 2 4 2 m h z = - 5 0 7 8 1 k h z ，其分辨精度为2 m h z 1 0 2 4 = 1 9 5 3 1 毗。 全数字解调器的大频偏校正是通过n i o si i 处理器来完成计算的，n i o si ii d e 支持标 准c 语言库，支持反正切，正弦和余弦的函数调用，这就使得整个大频偏校正的计算工 作都在n i o si i 处理器系统完成成为可能，同时降低了实现大频偏校正的难度。 2 2 4 载波同步原理 载波同步的方法可以分为两类，其中直接从接收到的信号中提取，称为直接提取法， 另一类是在发送有用信号时，在适当的频率上还发送导频信号，导频信号的功率较小， 这种方法很少采用。对于大多数数字调制系统来说，一般不含有载波的线谱分量，因此， 载波恢复的第一个步骤是对接收到已调信号进行非线性处理；第二个步骤是通过窄带滤 波器或锁相环进行滤波，滤除调制谱和噪声引入的干扰。 在本文中解调器采用c o a s t s 锁相环的方式，它有3 个方面的优越特性：1 ) 载波跟踪 特性，即锁相环对输入信号相位变化，等效为一个窄带的滤波器，不仅可以有效利用窄 带特性来滤除噪声和干扰，而且环路输出可以跟踪输入信号的载波的变化，从已调的输 入信号提取出纯净载波；2 ) 调制跟踪特性，适当的设计环路可以使输入信号调制频谱落 在环路的通频带内，环路输出频率和相位能够准确地跟踪输入信号的频率与相位的调制 变化；3 ) 低门限特性，锁相环路不像一般的非线性器件那样，门限取决于输入载噪比， 而是由环路信噪比决定，一般环路通频带总比环路输入端的前置频带窄的多，较高的环 路信噪比可取得低门限特性，这样，将环路设计成窄带特性，就可以把淹没在噪声中的 微弱信号提取出来，将环路用于解调调频、调相信号时可取得门限扩展效果，并且使误 码率降低【5 】。 2 2 4 1 数字c o s t a s 环数学模型 数字c o s t a s 环的等效数字锁相环如图2 2 4 所示，f ( z ) 环路滤波器传递函数，( z ) ， ：宝 ” o 魈聋博馨尊日i 2q p s k 全数字调制解调原理硕士论文 为n c o 的传递函数，其中k 为常数。 由图2 2 4 得到c o s t a s 环的二阶数字环的传递函数为 聊) = 器 叫) 将f ( z ) 和n ( z ) 代入式( 2 2 9 ) 得到 酢，= 面1 嚣k 等等2 z 掣芷k d k o 矿c 叫。，、7 + 【k 。d l + c 2 ) 一 - 1 + ( 1 1 ) z 一2 、 。 采用双线性变换法，用s = ；毛亭代入式( 2 2 1 0 ) ，得到数字环路的传递函数为 日( z ) ：熟堡蛙塑塑掣堡睑堕苎醚氅( 2 2 11 )、7 【4 + 饿和。t + ( 。丁) 2 】+ 【2 ( 。丁) 2 - 8 z - 1 + 【4 4 亏。t + ( c o 。丁) 2 】z - 2 、 比较式( 2 2 1 0 ) 和( 2 2 1 1 ) 得到 =壶砸鬻南(2212cl ， = o 了j 1 艺蟛4 + 4 每丁+ ( 0 丁) 2 7 乞= 壶警高 叫1 3 ， 厶= - _ = ，一ti z z jj 2 k 局4 + 吒。丁+ 帆d 2 、 7 采用双线性变换法实现从模拟域到数字域转换，在较大变化范围内具有普适性， 适合大频偏、低信噪比下的载波同步环路设计。 2 2 - 4 2 鉴相误差提取与鉴相增益计算 太币日中转们采用硒鞠i 涣的c o s t a s 环宴聊框图如图2 2 5 所禾。 1 2 硕士论文q p s k 中频全数字解调器的设计与f p g a 实现 图2 2 5 数孚鉴相器实现框图 假设鉴相器输入分别为j ( 七) ，q ( k ) ，鉴相器输出误差电压为 e ( k ) = s g n ( q ( k ) ) i ( k ) - s g n ( i ( k ) ) q ( k ) ( 2 2 14 ) 设输入q p s k 信号为 s ( k ) = d , ( dc o s ( o 。k ) - 如( k ) s i n ( o 。k ) ( 2 2 15 ) 式中4 ( 七) 和如( 后) 为同相和正交信道的符号，( 0 c 为载波频率。 假设本地的数控振荡器产生的载波信号为c 0 s ( 心考+ 9 ) 和s i n ( w f l + q ) ，其中9 为输入 调制信号载波和本地产生的载波的相位差。调制信号通过数字下变频之后的i q 两路信 号分别为( 推导过程见本章2 2 2 数字下变频) ，( 七) = ( 1 2 ) ( d l ( 后) c o s 仲) + 如( k ) s i n ( 【p ) ) ( 2 2 1 6 ) q ( 七) = ( 1 2 ) ( d j ，( k ) s i n ( q , ) 一如( k ) e o s ( v ) ) ( 2 2 1 7 ) 对i ( k ) 和q ( 后) 进行硬判决，分别与q ( 忌) 和i ( k ) 相乘得到信号i 和q 。当中 1 的时候， s g n i ( k ) 】= 面( 后) 、s g n q ( k ) 】= 屯 ) 那么 j = 一( 七) ，( 七) = 一( 1 2 ) ( 西( 尼) 如( 七) c o s ) + 吃( 七) 2s i n ( q , ) ) ( 2 2 1 8 ) q = 刃( 七) q ( 后) = ( 1 2 ) ( 刃( 后) 2 s i n ( q 0 ) - 4 ( 七) 而( j i ) c o s ( 【p ) ) ( 2 2 1 9 ) i 和q 相减得到鉴相器的输出与本地产生载波和调制信号载波的相位差q 的关系： p ( 七