基于FPGA的全数字QPSK通信系统的研究-硕士论文

南京理工大学 硕士学位论文 基于FPGA的全数字QPSK通信系统的研究 姓名 路布新 申请学位级别 硕士 专业 通信与信息系统 指导教师 汪敏 20060601 硕士学位论文 基于F F G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 摘要 Q P S K 数字调制技术 具有频谱利用率高 频谱特性好 抗干扰性能强 传输速 率快等突出特点 在移动通信 卫星通信中具有广泛应用价值 但是基于F P G A 的全 数字Q P S K 调制解调仍在进一步研究发展中 本文是对基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统进行了研究 首先讨论了Q P S K 通信系统的基本原理 并用M a t l a b 仿真系统的误码率 其次 采用V H D L 在X I L I N X 公司I S E6 1 开发环境下对系统的F P G A 实现进行设计 设计主要包括N C O 全数字 化实现的设计 成形滤波器用查找表实现的设计 匹配滤波器的设计 用全数字实现 C o s t a s 环的设计以及用全数字锁相环实现位同步的设计 根据这些设计结果 再完成 了整个系统的功能仿真 软件调试结果表明能够实现调制解调 最后 本文对系统硬 件电路进行设计 并给出了硬件系统调试方案 本文设计的基于F P G A 实现的Q P S K 数字调制解调器具有体积小 集成度高和 可软件升级等特点 这为设计更高集成度和更灵活的通信系统芯片提供了基础 关键词 Q P S K F P G A 同步 滤波器 C o s t a s 硕士学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 A b s t r a c t Q P S Kd i g i 诅lm o d u l a t i n gt e c h n i q u eh a sf e a t u r e so fh i g h s p e c t l 呲u t i l i z a t i o nr a t i o b e t t e rs p g c t r u ms p e c i f i c a t i o n s t r o n g e ra n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c ea n df a s t e rb a u d r a t c S ot h em o d e mm e t h o dh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m B u ta U d i g i t a lQ P S Km o d e r nb a s e dO nF P G Ai ss e a r c h i n g a n dd e v e l o p i n g A na l l d i g i t a lc o m m t m i c a t i n gs y s t e mo fQ P S Kb a s e do nF P G Ah a sb e e nr e s e a r c h e d a n dd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n F i r s t l y t h er a t i o n a l e so faF P G A B a s e dQ P S Km o d e m a r ei n t r o d u c e di n t h ed i s s e r t a t i o n A f t e rt h a t a u t h o rc o m p l e t es i m u l a t i 0 1 2o f E B R S e c o n d l y u n d e rt h eI S E6 1o fX l L I N X V H D Lh a sb e e na d o p t e df o rd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g t h es y s t e m 髓ed e s i g n i n gm a i n l yi n c l u d e dN C O s h a p i n g f i l t e r m a t c h i n g f i l t e r e a l T i e r s y n c h r o n i z a t i o no fC o s m sa n db i ts y n c h r o n i z a t i o n A c c o r d i n gt ot h e s ed e s i g n i n gr e s u l t s t h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o no fs y s t e mi sc o m p l e t e d ao b s e r v i n gt i m i n gw a v e p r o g r a mc a n i m p l e m e n tr i g h tm o d e m L a s t l y t h em e t h o do fd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gc i r c u i ti s p r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n T h eQ P S Km o d e mb a s i n go nF P G Ai sd e s i g n e d j l r i t hh i 曲i n t e g r a t i o n g r e a tf l e x i b i l i t y a n du p g r a d ei ns o f t w a r e T h ed e s i g ni nt h i sd i s s e r t a t i o nw i l lp r o v i d ef o rt h ef u r t h e rd e s i g n w i t hm o r eh i g hi n t e g r a t i o na n dm o r eg r e a tf l e x i b i l i t yi nt h em o d e r nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n t h ef u t u r e K e y w o r d s Q P S K F P G A s y n c h r o n i z a t i o n f i l t e r C o s t a s 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 不包含其他人已经发 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 已在论文中作了明确的说明 研究生签名知名年钿 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 研究生签名础钿 日 硕士学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S n 通信系统的研究 1 绪论 1 1 研究背景 通信技术融入计算机和数字信号处理技术以后发生了革命性的变化 它和计算机 技术 数字信号处理技术结合是现代通信技术的标志 广义上讲 用任何方法 通过 任何传输媒质将消息从一个地方传送到另一个地方 均可称为通信 通信的目的是为 了进行消息的有效传递与交换 直到1 9 世纪初 人们开始利用电信号传输消息 从1 8 3 7 年莫尔斯 F B M o r s e 发明电报算起 一个世纪以来 通信的发展大致经历了三大 阶段 首先 以1 8 3 7 年发明电报 莫尔斯电码 为标志的通信初级阶段 其次 以1 9 4 8 年香农 S h a r m o n 提出的信息论开始的近代通信阶段 最后 以2 0 世纪7 0 年代出现 的光纤通信为代表的和以综合业务数字网迅速崛起为标志的现代通信阶段 光纤通信 技术 卫星通信技术和移动通信技术形成现代通信技术的三大主要发展方向 数字调制技术作为这些领域中极为重要的一个方面 也得到了迅速发展 全数字 调制解调器专用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 减小功耗并大大提高设备的可靠性 另一方面 全数字调制解调技术的采用有可 能使各类现代调制解调技术融合一体 使该调制解调器不仅适用于各类调制体制 而 且速率也可变 目前国内多速率 多制式智能调制解调器己有一些研究成果和芯片问 世 但是 国内的产品大多基于通用D S P 实现 支持的速率比较低 由于运算量较大 和硬件参数的限制 采用通用D S P 或普通算法无法胜任高速率调制解调的任务 本文 研究的目的之一就是研究基于F P G A 技术实现变速率和多方式的调制解调器闭 随着数字调制技术的出现 在有限的带宽内传输高速的数据己成为可能 并且比 过去使用的模拟调制 如调幅 A M 和调频 F M 频移键控 F S K 开关键控 O O K 脉宽调制 P W M 脉位调制 P P M 脉幅调制 P A M 等技术相比有更高的可靠 性和抗扰性 新型的数字调制与过去的一些离散数字 模拟调制技术有很多相同的地方 像开 关键控和频移键控 它们在离散的时间上有离散的状态 无论这些状态是幅度 相 位还是幅度 相位 通过这些状态可以定义被传送的信息 同时这些状态的数量可以 决定链路能传输的数据量 然而 数字调制可以只被看作是正交幅度调制 Q A M 正交相移键控 Q P S K 二进制相移键控 B P S K 以及由这些技术派生的调制方法 因此 本课题选择正交相移键控 Q P S K 作为调制解调方式 在此基础上深入的研 究全数字化Q P S K 硕士学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 1 2 数字调制技术的发展现状及趋势 经过几十年的发展 数字化接收机取得了长足的进步 例如德国R S 公司的宽带 数字化接收机E D B 9 0 0 用于无线电监视工作频率2 0 M H z 2 G H z 搜索速度4 G H z s 2 5 1 f f l z 带宽 又如英国研制的P V S 3 8 0 0 接收机 工作频率范围0 5 M H z 1 G H z 可以 用于监听 识别和分析等功能 还可以根据需要下载不同的软件配置成不同的接收机 截获机等 目前国内外己有一些关于全数字Q P S K 调制解调器方面的研究成果和芯片问世 国外的如S T 公司的S T 5 5 0 S T 5 5 1 8 比利时N e w t e e 公司的N T C 2 0 7 7 F r O K I 公司的 M S M 7 5 8 2 T S 美国休斯公司的B C D 4 C M 5 0 0 0 美国H A R R I S 公司和德国H i r s e h m a n n 赫斯曼公司也都有相关的专用芯片 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 I n t e l 公司的S n 0 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 6Q 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 Q P S K Q A M 速率最高可达4 0 M b p s 1 6 Q A M 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 具体的是使用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板级电路 该B P S K Q P S K 数字突 发调制器的性能参数指标为 支持可变速率 调制信号的符号速率允许在2 k 2 M B a u d 之间n 级可交 其它速率通过更改工作主时钟实现 最高支持到主时钟1 9 6 6 0 8 M I z 符号速率在2 4 k 2 4 5 7 6M B a u d 范围间l l 级可变 最高码速率在Q P S K 下达到 4 9 1 5 2 M b i t s 平方根升余弦落降成形的滚降系数可在0 2 1 0 之间任意设置 输出M Q 两路1 2 b i t s 量化的数字信号 支持连续 突发两种模式 突发模式下 同步头长度 首独特字可以分别由用户设置 支持B P S K 暑t l Q P S K 两种调制方式 但是这些芯片基本都是针对某些特定应用设计的 只能够在比较小的范围内调 整 而用可编程器件实现的全数字调制解调器则可以说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 此外 F P G A 还具 有静态可重复编程和动态系统重构的特性 使得硬件的功能可以象软件一样编程修 改 极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性 1 3 论文的主要工作 本文是对全数字Q P S K 调制解调研究 完成了基于F P G A 的Q P S K 系统的设计 2 硕士学位论文 基于F P G A 的令鼗字Q P S K 通信系统的研究 仿真工作 从大量文献资料来看 目前Q P S K 调制解调器大部分都是采用专用芯片 或者D S P 硬件平台来实现的 也有采用F P G A 来实现Q P S K 基带部分处理 全数字 式调制解调仍在进一步发展中 系统的通信指标参数如下 系统的调制方式采用Q P S K 传输比特率不低于 5 0 0 K b s 中频载波为3 0 M H z 带宽不高于4 M H z 基带成形滤波采用滚降系数为O 3 5 接口设计为 调制接口为单路码流串口输入 单路已调模拟信号输出 解调接口为单 路已调模拟信号输入 单路码流串口输出 本文的主要工作包括 1 在分析Q P S K 基础理论上构建出全数字Q P S K 通信系统的方案 并用M a n a b 对系统误码率进行了仿真 为基于F P G A 的Q P S K 通信系统的设计提供理论 依据 2 对N C O 采用全数字方式设计 N C O 是数字上 下变频的核心模块 用数字方 式实现提高了分辨率和加快了频率转换时间 3 对调制端的成形滤波器采用了查找表方式设计 用查找表替代实时的卷积运 算 解决了实时卷积的运算量大的问题 4 对解调端的匹配滤波器的设计 匹配滤波器对应成形滤波器 保证了对成形后 的信号还原 5 对全数字化同步的设计 在载波同步中实现了C o s t a s 环 同相一正交环 的 全数字化 在位同步中实现了用全数字锁相环确定了每一个码元的起始时刻 6 对调制与解调端联合起来进行功能仿真 保证系统的所设计程序的正确性 7 根据实际的需要 选择合适的芯片 对系统硬件电路进行设计 并给出了硬件 系统调试方案 硕士学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 2Q P S K 系统的设计理论和系统仿真 2 1Q P S K 信号分析 在二迸制相移键控 B P s K 中 幅度恒定的载波信号随两个代表二进制1 和0 的信号m l 和m 2 改变而在两个不同的相位跳变 通常这两个相位相差1 8 0 0 如果正 弦载波的幅度为4 每比特能量毛 A 2 Z 则传输的B P S K 信号为 S B e s r t x 2 E b 瓦e o s 2 z f t 0 2 1 1 式 2 1 1 中0 t T b 进制的1 或者 品 f 2 磊 瓦e o s 2 u f j 丌 们 一 2 毛 瓦e o s 2 a f t 们 2 1 2 式 2 1 2 中O t k 进制的O 出于方便 经常将m 1 和m 2 一般化为二进制数据信号r e t 它呈现两种可能的 脉冲波形中的一种 这样传输信号可表示为 S w s x t m t 2 厩 瓦e o s 2 a f d 丌 2 1 3 B P S K 信号等效于抑制载波双边带调幅波形 式 2 1 3 中e o s 2 u f d 相当于载 波 数据信号m t 相当于调制波形 由于这种调制是相对于一个固定的参考相位的 即载波的初始相位中已令初始相位为0 故称为绝对数字调相 另一种常用的数字调相方式称为相对调相 是用前后码元载波相位的相对变化来 代表和传输数字信号的 即在相对调相方式下 载波的参考相位已不是固定的0 相位 而是前一码元载波的相位 对于二进制的基带数字调制信号 如果规定前 后码元载 波相位不发生变化 相位变化值A O 0 代表 0 码 载波相位变化兀 A 曰 石 代 表 l 码 则这种调制方法同样可以达到数字调相的要求 其规则与相对码 即差分 码 的规则相同 故相对调相亦称为差分调相 如果用载波的多种不同相位来代表多进制数字信号 实现的就是多进制相移键控 h 仃S K 在数字相位调制中 M 个信号波形可表示为 s f R e g t e 7 2 一1 7 Me 2 矾 m 1 2 M O s f s T 骨 g t e o s 2 n f d 等 研一1 4 硕士学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 g t e 0 5 万2 7 9 册一1 c o s 2 靠 g 舢i n 鲁 坍一1 s i n 2 x f 2 1 4 式 2 1 4 中 g 是信号脉冲形状 以 2 z r m 一1 M m 1 2 M 是载波的 M 个可能的相位 用于传送发送信息 注意 这些信号波形具有相等的能量 即 F s 2 c o a t 三f 9 2 r a t 圭 2 1 5 而且这些信号波形可以表示为两个标准正交信号波形石p 和以 f 的线性组合 即 O 8 m 1 五O m 2 f 2 1 6 式 2 1 6 中 厂r f l t 悸g t e o s 2 n f c 2 1 7 a 厂r 石 f J 耋 g t s i n2 u f d 2 1 7 一b Y 占g 且二维向量J s J 2 为 J 詈c o s 吾 脚 1 s i n 詈 肌 1 m t 忑 M 2 1 8 式 2 1 8 中当M 4 时就是本文要重点讨论的4 P S K Q P S K Q P S K 的载波相 位有四种取值 每种取值代表两比特的信号 随信号的改变 幅度恒定的载波信号的 相位在四种取值间跳变 这四个相位的取值为间隔相等的值 比如 0 n 2 万 3 万 2 每一个相位值对应于唯一的一对消息比特 有一种变型 称为n 4 Q P S K 是通过在 每一个符号间隔的载波相位中引入附加的x 4 相移来使符号同步变得容易些 Q P S K 信号可以表示为 s 畔m 序e o s c o t i 1 争 i 1 2 3 4 叫 式 2 1 9 中E 为单位符号的信号能量 即0 f s L 时间内的信号能量 吐为 载波角频率 Z 为符号持续时间 1 1 Q P s K 信号可以看成是对两个正交的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 Q P s K 信号的星座如图2 1 1 所示 1 1 硕士学位论文 摹于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 0 l JI 0 0 I l r 1 0 J L 丫 弋j 火 一 a 载波相位O 石 2 石 3 x 1 2 载波相位万 4 3 f f 4 5 f f 4 7 宠 4 图2 1 1Q P s K 信号星座图 Q P S K 的功率谱可由下式给出川 咧c 篙搿芦2 暖器门 旺 式 2 1 l O 中 E 为比特能量 正为比特周期 图2 1 2 画出了Q P S K 信号的 功率谱密度 图2 1 2Q P S K 信号的功率谱密度 在图2 1 2 中升余弦滤波起到成形滤波的用处 成型滤波的作用有两个 l 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 二是消除码间干扰 一 般此滤波器的频率特性要满足N y q u i s t 定理 其中升余弦滚降特性的低通滤波器较为 常用 同时为了满足接收端匹配滤波的要求 可将升余弦低通滤波器的传递函数分解 为两部分级联 一部分在发射端用于波形成型 另一部分在接收端匹配滤波 每一部 6 硕十学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 分称为平方根升余弦低通滤波器 从图2 1 2 可以看出 使用了滚降系数为O 5 的升 余弦滤波器后 Q P S K 信号的功率谱密度的带外衰减更快 有利于减少码间干扰和信 道干扰 具体的成型滤波设计原理将在下文基带电路设计中详细讨论 2 2 全数字Q P S K 调制原理 调制器的基本工作过程是 输入的数字码序列经过数据预处理单元完成信号的信 道编码 差分编码 卷积编码或R S 编码等 生成两路信号 4 倍内插后通过成形滤 波器输出成形序列 这个序列再经过多级内插把序列采样速率提高到后面的复数乘法 器的工作频率上 以便进行载频调制 使用多级内插滤波器的原因是可以通过调整内 插因子 使系统支持的调制符号速率能在一定的范围内变化 而且由于输出序列的采 样率提高到固定的频带内 就可以在D I A 变换之后采用相同的低通滤波器 调制原 理框图如图2 2 1 所示 F P O A 图2 2 lQ P S K 调制原理图 Q P S K 调制信号可以表示为 f g t k T c o s c o d q o k a k g t k T e o s c o d 6 g t k T s i n c o S 2 2 1 I qI 1 式 2 2 I 中 g t 一为矩阵脉冲 脉冲宽度等于码元周期 纯一为受调相位 这里有4 种不同的相位取值 4 5 1 3 5 2 2 5 0 3 1 5 一为载波角频率 吨2 C O S 纯 钆 s i n e k 双比特码元中两个信息比特a b 通常按格雷编码排列 此时Q P S K 信号的状态 7 颂士学位论文 摹于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 空间图如图2 1 1 所示 采用格雷编码的好处在于相邻的双比特码元中蹲个信息比特 a b 只会有一个变化 从而消除了1 8 0 0 的相位跃变 上面是对调制端整体框架进行了分析 接下来我们要挑出其中关键模块成形滤波 器和N C O 进行探讨 指出它们的原理和在系统中的作用 2 2 1 调制端成形滤波器的原理 Q P S K 它的相位跳变是瞬时变化的 瞬时变化的相位导致了信号频谱发生扩散 需要非常大的信道带宽才能无失真的传输信号 为了将信号频谱限制在一个合理的范 围内 基带滤波必不可少 由于基带滤波在时域上扩展符号 如果设计的不好 在接 收端将会引起严重的码间干扰 I S l 奈奎斯特第一准则 又称第一无失真条件 本质上是抽样值无失真条件 它告诉 我们 如果信号经传输后整个波形发生了变化 但只要其特定点的抽样值保持不变 那么用再次抽样的方法 这在再生判决电路中完成 仍然可以准确的恢复原始信号 因为信息完全携带在抽样幅度值上 也就是说 只要通信系统包括发射机 信道和接 收机的整个响应设计成在接收端每个抽样时刻只对当前的符号有响应 而对其他符号 的响应全等于0 那么I S I 的影响就可消除 这是对奈奎斯特准则的时域描述 无码间 串扰的基带系统冲激响应和基带传输的频域条件应满足 悯 篙姿他整数 列缈 等一纠 弓 旺2 上D 式 2 2 1 1 中 Z 是符号间隔 满足奈奎斯特准则的滤波器最简单的是理想低通滤 波器 式 2 2 1 2 2 2 1 3 是理想低通滤波器的频域传输特性和时域冲激响应 S 国 这里 S 为一理想低通滤波器 如图2 2 1 1 a 所示 s 冲激响应为 删荨 勋印 Q z Z 如图2 2 1 1 b s t 在t 士k T s 衅o 时有周期性零点 当发送序列的间隔为T s 时 正好利用了这些零点 实现无码间串扰传输 理想低通传输特性的基带系统具有最大 的频带利用率 但是理想低通系统在实际应用中存在两个问题 一是理想矩形特性的 8 2l22 万一C万一正 v I v I H H C O 硕士学位论文摹于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 物理实现极为困难 二是理想的冲激响应s t 的 尾巴 很长 衰减很慢 当定时存在 偏差时 可能出现严重的码间串扰 一Tr 焉 f y 一 I i L 一 一 a 传输特性 b 冲激响应 图2 2 1 1 理想低通系统的特性 基于以上的分析在本文中成形滤波器选择的是平方根升余弦滚降滤波器a 它可以 消除理想低通滤波器设计的困难 有一个平滑的过渡带 通过引入滚降系数 改变传 输信号的成形波形 可以减小抽样定时脉冲误差所带来的影响 升余弦滤波器的的频率响应 日 力 吲s 害 廿c o s 睁 一害 寄娜等 包2 4 等 厂 式 2 2 1 4 中 a 是滚降系数 t 1 R 也是符号速率 系统的6 d B 带宽是E 2 而系统的绝对带宽是 口 半冠 2 2 1 2 5 二 该传输函数的时域响应为 M 2 释 2 2 1 6 对应的参数分别为a 0 a 9 硕士学位论丈基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 口 一 l 鼬 j 一 二一 盯一一 a 传输特性 b 冲激响应 图2 2 1 2 升余弦滤波器的特性 升余弦滚降信号在前后抽样值处的串扰始终为0 满足抽样值无失真传输条件 滚降系数a 愈小 则波形的振荡起伏就愈大 但传输频带减小 对接收端的定时要求 增加 反之 a 愈大 则波形振荡起伏愈小 但频带增加 a 0 时 升余弦滤波器 变成了上面提到的理想低通滤波器 此时信号的频带最窄 a l 时 升余弦滤波器的 频带最宽 为理想低通滤波器的2 倍 所以 升余弦滚降滤波器是以频带的增加来换 取码间干扰的减小 考虑到接收波形在再生判决中还要再抽样一次以得到无失真的抽样值 而理想的 瞬时抽样不可能实现 也就是抽样时刻不可能完全没有误差 抽样脉冲宽度也不可能 等于0 因此 为了减小抽样定时脉冲误差所带来的影响 滚降系数O r 不能太小 通 常选择晓0 2 而高速数字传输系统中 还应该考虑频带利用率 故滚降系数的范围 一般为0 2 0 6 在本文中 成形滤波器选择滚降系数a 0 3 5 最优检测是由匹配滤波来实现的 一个升余弦信道可以由两个平方根升余弦滤波 器 S R R C s q u a r er o o tr a i s e dc o s i n e 来实现 一个用在发送端决定传输符号的波形 一个在接收端用作匹配滤波检测 由于 频率响应 一旧 等 所悯R C 滤波釉 昭 s 害 s 曙 厂一害 等s 等 眨2 o 等s 厂 式 2 2 1 7 中 下标T R 用来区别发送端与接收端 该传输函数的时域响应为 l O 硕士学位论文摹于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 危 瞳 sin m 1 cO T 4a tcos m 1 cO T T 2 2 1 8 7 m T 1 4 盯t T 以上就是对成形滤波器的分析 得到了平方根升余弦的时域响应 第三章成形滤 波器设计就是基于这个表达式的 2 2 2 调制端N C O 的原理 数控振荡器 N C O 在中频数字化调制解调中已得到广泛应用 N C O 在中频数 字化调制器用作本振源 可产生完全正交的数字载波 保证调制时I Q 两路数据完 全正交 消除了模拟调制由于载波的不完全正交性造成的调制信号星座图的歧变 在 中频数字化解调中 N C O 用作产生本地参考本振源 对中频信号进行下变频至基带 基带信号处理部分产生载波误差信号反馈至N C O 的频率控制字 使N C O 输出的频 率精确的跟踪输入信号的频率 可见 在软件无线电收发机中 N C O 的作用至关重 要 设频率为f 的正弦信号表示为s t s i n 2 万夕 以采样频率Z 对信号进行均匀采样 得到离散的采样序Y U s n s i n 2 砀C C l f 为采样间隔 其对应的离散相位序 列为痧 行 2 r t f n T 线性相位增量 妒 疗 2 r t J T 为一常量 g R 与频率f 有关 由 此可见 频率f 与相位增量有一一对应的关系 即相位增量 雄 一定时 频率f 也 随之确定 这是N C O 的技术起点 数字处理中 相位量化是必须的 正弦信号一个周期经历的相位为2 7 若将2 冗 均匀量化为M 等分 频率f 所对应的相位增量取其中的K 等份 则有等 垒笔竽 寺 即厂 蔷z 也就是说频率为 吉z 余弦信号经采样频率正采样后 其量化序列 的相邻样本之间的量化相位增量为一不变量K 改变K 也就改变了频率f 根据上述 原理 若用不变量K 构造一个量化序列妒 n K 再有 H 构造序列 咖 如 詈鼬 n 2 石等 划2 万力z c 2 勉t 这样s n 可以认为是j O 经过采样频率正取样而得到的样本序列 根据奈奎斯特采样 定理 当丢 万K A 而 舍弃B N A 位低位有效位 这将引起相位截断误差 另外 波形R O M 的字长也 是有限的 从而引起存放在R O M 中的正弦波形幅度码字长也是有限的 产生幅度量 化误差 相位截断误差和幅度量化误差都将引起输出波形频谱中有较大的杂散分量 一个具有相位截断误差和幅度量化误差的N C O 如图2 2 2 3 所示 K 为频率控制字 N 为相位累加器字长 一A 为波形R O M 的地址线数目 D 为R O M 数据字长 图2 2 2 3 实际的N C O 原理框图 1 2 硕士学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 2 3 全数字Q P S K 解调原理 在解调端 天线接收到的模拟信号首先通过不同波段的下变频器 将信号频谱搬 移到7 0 M H z 或1 4 0 M H z 的固定中频上 中频信号通过声表面滤波器滤除带外噪声 通过下变频进一步将信号频谱搬移到低中频上 然后通过模数转换器转换为数字信 号 A D C 输出数字信号由F P G A 完成数字下变频 可变因子抽取 相干载波的同步 位定时提取 数据解调输出等功能 设计中由于采用中频A G C 电路 故在F P G A 中 并不进行A G C 控制 解调原理框图如图2 3 1 所示 酵 数信 据道 皇 一 解解 调码 图2 3 1Q P S K 解调原理图 从框图我们可以看出解调器的基本工作过程是 根据带通采样定理 A D C 以不 低于4 倍于符号速率进行带通采样 A D c 输出的采样点首先完成数字正交下变频 然后进行数字匹配滤波 滤波输出结果经抽取和串并变换后 一路样点送入位定时跟 踪环路 在位定时跟踪环路调整下 另一路样点对准码元的判决点 为判决和译码模 块以及载波同步环路提供输入 而送入位定时跟踪环路的样点则对准码元的变化点 载波同步环路产生正交下变频所需的正交载波 匹配滤波器输出样点除送入载波频偏 估计单元和位定时提取单元外 经4 倍抽取后送入数据解调单元解调出数据信号 基于以上解调端的整体分析 从中把解调时的关键技术即带通采样技术以及同步 技术拿出来 给它们从原理和作用再进行了重点的分析 2 3 I 解调端带通采样技术 本文采用的解调方案是将A D 量化得到的数字信号x 玎 与N C O 产生的一对相互 正交的本地载波相乘 然后分别经过低通滤波器滤波得到基带信号 通过载波同步模 块对N C O 的输出进行调整 并从中提取位同步信息 最后经过v i t e r b i 解码与并串转 换得到调制信息 实现数字解调的前提是要把接收到的模拟信号通过A D 数字化 对中频数字化来 说 采样时钟速率的选择对解调处理很重要 由于目前使用的多是窄带信号 根据 1 3 硕士学位论文 摹于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 N y q u i s t 带通采样定理 采样速率在满足大于信号带宽两倍的情况下 选取远远低于 信号最高频率的两倍速率就能正确地反映带通信号的特性 带通采样减少了抽样点数 目 同时还达到降低信号中频的作用 很大程度上减少了后续数字信号的处理负担 这些处理都降低了通信系统对A D C 器件和D S P 芯片的性能要求 在实际使用中可以 采用一些通用芯片就可以满足要求 降低了通信电台的成本嗍 2 羽 下面讨论采样速率的选择 它受以下因素的影响 一方面 A D C 不可避免的会 引入量化噪声 量化后的信噪比由下式给出 册 6 0 2 n 1 7 6 d B 删寸矧 亿 式 2 3 1 1 中 为采样频率 B 为模拟信号带宽 第三项也被称为处理增益 是一个正值 可见 在调制带宽B 一定 A D 位数n 确定的情况下 提高采样频率Z 有利于改善信噪比 但输入信号本身有一定的信噪比 因此A D 的量化噪声比输入信 号的噪声电平低1 0 倍以上就可以了 另一方面 由于采用了带通采样技术 A D 的采样率不能任意选取 由带通采 样定理可知 带通采样率Z 应满足下式 詈者 正s 兰予 其中疗要满足1 冬聆 I g I 等 Jl G 3 J 2 露十l Il 式 2 3 1 2 中厶为带通信号的最高频率 兀为带通信号的最低频率 B 为信 号带宽 表示取不大于括号内数值的整数 从频域分析 A D 变换后的信号频谱发生了变化 在满足带通采样定理的条件下 只能保证采样后的频谱不发生混叠 此外还要考虑到A D C 以后的频谱分布情况 由 于目前的A D 器件都内部集成了采样保持放大器 S H A 采样的孔径时间变得很短 所以A D C 可以看成一串冲击脉冲与连续的时域信号相乘并量化的结果 时域相乘相 当于频域卷积 因此造成了原来信号的频谱以采样频率进行周期延拓 如果所择采样 频率恰好为中频信号的整数分之一 例如中频7 0 M H z 采样率3 5 M H z 则可以直接 将原中频信号搬移到零频 如果选择的采样频率不是中频信号的整数分之一 可以使 频谱不出现在零频 对于Q P S K 信号 采用把调制信号从高中频搬移到低中频的方式更有利于后续的 数字信号处理 具体实现中是对3 0 M H z 的中频信号进行数字化 信号带宽小4 M H z 即厶 3 2 M H z 正 2 8 M H z 实际选取n 2 采样率为2 0 M H z 在2 0 M H z 的采样 率下 在1 0 M H z 的低中频上出现了与3 0 M H z 的中频信号相应的频谱信息 因此 N C O 的起始振荡频率设为1 0 M H z 1 4 颂士学位论文 基于F P G A 的全数字Q P S K 通信系统的研究 2 3 2 解调端载波同步原理 全数字Q P S K 解调器的核心问题在于对载波和定时的同步 其性能的好坏将直接 对通信质量产生影响 因此所有的设计都是围绕这两个同步来进行的 针对载波同步 用的是C o s t a s 数字锁相环 在相干解调技术中 要求在接收端提供一个参考载波 此参考载波与信号载波同 频同相 从接收信号中提取相干载波有两种方法 一种是在发送信号的同时辅助传送 一个载波信号 称为插入导频法 另一种方法是直接从已调信号中提取 称为直接法 相移键控信号和抑制载波的双边带信号等 在其信号中并不含载波分量 用普通的锁 相环无法提取 要设计特殊的锁相环路 即所谓抑制载波跟踪环路 才能完成从中提 取相干载波的功能 在本文中解调器采用C o s t a s 锁相环方式 它有三个方面的优越特性 载波跟 踪特性 即锁相环路对输入信号的相位变化而言 可等效为一个窄带特性来滤除噪声 与干扰 而且环路输出能跟踪输入信号的载波变化 从已调的输入信号中提取出纯净 的载波 调制跟踪特性 适当设计环路可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 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 并使误码率降低 2 6 1 全数字锁相环由数字鉴相器 P D 数字环路滤波器 L F 和数控振荡器 N C O 3 部分构成 其中鉴相器用于提取锁相环的输入输出信号之间的相位误差信号 环路 滤波器则对相位误差信号进行平滑滤波 之后用于控制数控振荡器产生相应的输出 图2 3 2 1C o s t a s 环原理图 Q P S K 信号的频谱中不包含有载波及其倍频分量 不能直接利用载波跟踪环来提 取载波 必须运用非线性变换将Q P S K 信号中的载波信息变换成载波分量 再用载波 1 5 硕十学位论文基于F P G A 的牟数字Q P S K 通信系统的研究 跟踪环来提取出来 作相干解调载波使用 具体方法如下 数字化后的Q P S K 中频信号可以表示为 七 口 后 c o s 致七 九 一6 七 s i n 纹七 纯 2 3 2 1 Q X 七 b k e o s o J f l o a k s i n 眈后十唬 2 3 2 2 式 2 3 2 1 2 3 2 2 中 k O l 2 q 为中频载波频率 丸为接收端载波 的初始相位 口 i b k 为发送的码元信号 假定数控振荡器所产生的相干载波为e o s e o k 力 矿为锁相环对载波相位的估 计 若暂不考虑上式中的噪声项 则经过数字下变频和匹配滤波器后 有 f 霓 a k c o s A b k s i n A 2 3 2 3 Q b k c o s A 妒 a k s i n A 妒 2 3 2 4 Q 七 分别为接收端恢复的两路同相和正交数字基带信号 妒 死一矿为调 制载波与相干载波的相位差 由式 2 3 2 3 2 3 2 4 可以看出J 后 Q k 两路数 字基带信号中包含有相位误差信息 C o s t a s 环的鉴相器通过下式便可得到相位误差 P 露 e k j 弦堙竹 Q 后 一Q k s i g n I k 2 3 2 5 相位误差信号经环路滤波后输出 K j K p s i n 2 A 庐 2 K p A 2 3 2 6 式 2 3 2 6 中 K F 为环路鉴相增益 为常数 式 2 3 2 6 表明 N C O D D S 的输入是受却控制的 环路滤波器输出为跟踪卸提 供了所需的误差控制电压 且误差电压中消除了基带信号的影响 这也正是C o s t a s 环的等效数字式P L L 锁相环 模型见图2 3 2 2 F z 为环路滤波器传递函数 N z 为N C O 的传递函数 民为常数嘲 图2 3 2 2 数字C o s t a s 环的等效数字锁相环模型 因此 数字C o s t a s 环的传递函数为 酢 器 害嚣粉 眨s 2 1 6 硕士学位论文 基于F P G A 的争数字Q P 穹K 通信系统的研究 式 2 3 2 7 中 环路增益玛 2 K p 蜀 同时 误差传递函数为 也 z 鲁 雨丽I 2 3 2 8 对于用于载波跟踪的C o s t a s 环 根据终值定理有 脚 z 一1 月r z o 2 3 2 9 根据上藤的分析 C o s t a s 环在经过多次反馈后能得到一个同频同相的载波 实现 了对载波的恢复 2 3 3 解调端位同步原理 在数字通信中 除了获取相干载波的载波同步外 位同步的提取是更为重要的一 个环节 因为只有确定了每一个码元的起始时刻 才能对数字信息作出正确的判决 利用全数字锁相环可直接从接收到的单极性不归零码中提取位同步信号 一般的位同 步电路大多采用标准逻辑器件按传统数字系统设计方法构成 具有功耗大 可靠性低 的缺点 用F P G A 设计电路具有很高的灵活性和可靠性 可以提高集成度和设计速 度 增强系统的整体性能 本文给出了一种基于F P G A 的数字锁相环位同步提取电路 锁相环的原理框图如图2 3 3 1 所示 时钟提取 位同步 采用超前 滞后数字锁相环电路 输入相位基准与本地参考时 钟n 次分频后的相位脉冲进行相位比较 产生超前或滞后脉冲 在控制电路作用下调 整码元同步脉冲的相位 调整的原理是当参考相位脉冲超前于输入相位基准时 相位 比较器输出超前脉冲 触发扣除门扣除一个脉冲 参考相位脉冲的相位就推后1 n 周 期 相反 当参考相位脉冲滞后于输入相位基准时 相位比较器输出滞后脉冲触发添 加门添加一个脉冲 参考相位脉冲的相位就提前1 n 周期 经过反复调整相位 即实 现码元同步 产生位同步时钟 位同步脉冲五 图2 3 3 1 位同步原理框图 1 7 2 4Q P S K 系统误码率的M a t l a b 仿真 在仔细地研究了Q P s K 信号的数学表达式的基础上 现在进一步地通过仿真软件 来对Q P S K 通信系统进行误码率的仿真 1 1 1 通过仿真为基于F P G A 的Q P S K 系统设 计与实现提供依据 2 4 1 系统的仿真原理 一组M 个载波调相信号波形表达式可写为 删 俐归s 2 班 鼍产 删 1 M 1 2 4 1 1 式 2 4 1 1 中断 O 为发射端的成形脉冲 决定发送信号的频谱特征 A 是信号振 幅 当g r f 为矩形脉冲时 它定义为 渺辱 蚪 眨4 2 在这种情况下 发送信号波形在符号间隔o A t 4 的情况 匕的一个较好近似式为 州Q c 赝s m 旁 啦c 蜃s 诂分 式 2 4 1 1 5 中k l 0 9 2 M 比特 符号 由于误码率取决于k 比特符号与相应信 号相位间的映射 M 进制相位调制的等价误码率公式很难推导 当采用格雷码时 对应于相邻信号相位的两个k 比特符号之间仅相差l b i t 由于噪声引起的误差最有可 能导致单比特错误 因此M 进制相位调制的等价误码率约为 忍 巳 2 4 2 系统的仿真框图与波形 通过2 4 1 节的分析 下面我们对Q P S K 通信系统的误码率进行仿真 系统的模 型见图2 4 2 I 所示 硕士学位论文 基于F P G A 的全敖字Q P S K 通信系统的研究 号 图2 4 2 1Q P S K 仿真系统模型 仿真式 2 4 1 9 给出了随机变量r 该变量是信号相关器的输出和判决器的输 入 首先产生一个正交 2 b i t 符号序列 将它映射为相应的四相信号点 为了完成 这个任务 使用一个在 O 1 区间内产生均匀分布随机数的随机数发生器