（通信与信息系统专业论文）基于fpga的8psk调制解调技术研究.pdf

摘要 软件无线电是近年提出的新的通信体系，由于其具有灵活性和可重配置性并 且符合通信的发展趋势，已成为通信系统设计的研究热点。因此对基于软件无线 电的调制解调技术进行深入细致的研究非常有意义。 本文首先从阐述软件无线电的理论基础入手，对多速率信号处理中的内插和 抽取、带通采样、数字变频等技术进行了分析与探讨，为设计和实现8 p s k 调制 解调器提供了非常重要的理论依据。然后，研究了8 p s k 调制解调技术，详细论 述了它们的基本概念和原理，提出了系统实现方案，在d s p + f p g a 平台上实现了 8 p s k 信号的正确调制解调。文中着重研究了突发通信的同步和频偏纠正算法， 针对同步算法选取了一种基于能量检测法的快速位同步算法，采用相关器实现， 同时实现位同步和帧同步。并且对于突发通信的多普勒频偏纠正，设计了一个基 于自动频率控制( a f c ) 环的频偏检测器，通过修改数控振荡器( n c o ) 的频率 控制字方法来校正本地载波频率，整个算法结构简单，运算量小，频偏校正速度 快，具有较好的实用性。其次，对相干解调的初始相位进行纠正时，提出了一种 简单易行的c o r d i c 方法，同时对f p g a 编程当中的一些关键问题进行了介绍。 最后，设计了自适应调制解调器，根据信噪比和误码率来自适应的改变调制方式， 以达到最佳的传输性能。 关键词：8 p s kf p g ac o r d l c 自适应传输 a b s t r a c t s o f t w a r er a d i oh a sb e e np r o p o s e da st h en e we o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ei n r e c e n ty e a r s a si ti sf l e x i b l ea n dr e - e o n f i g u r a b l e ，a n di tr e c o r d sw i t ht h ec u r r e n t t h o u g h to f t h ec o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t , i th a sb e c o m et h ef o c u so f t h er e s e a r c ho n t h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h u s ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tm a k i n gat h o r o u g h a n dc a r e f u ls t u d yo f m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ns o f t w a r er a d i o ， e s p e c i a l l yi nt h em o r er a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f i r s t , t h i sp a p e re x p a t i a t e so nt h et h e o r yo fs o f t w a r er a d i o ，a n a l y z i n ga n d d i s c u s s i n g t h ei n t e r p o l a t i o na n dd e c i m a t i o n ，t h eb a n d p a s ss a m p l i n g , t h e d i g i t a l u p d o w nc o n v e r s i o n ，t h e mp r o v i d et h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tt h e o r yb a s i st od e s i g na n d r e a l i z e st h e8 p s km o d e m t h e n ，t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt o e h n i q u e so f 8 p s k i sm a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h em e t h o d sa n db a s i cp r i n c i p l e so f8 p s ki si n t r o d u c e d , a n das y s t e m a t i cs c h e m ei sg i v e n t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no f8 p s ka r e i m p l e m e n t e di n t h ed s pa n df p g ap l a t f o r m f o rs y n c h r o n i z a t i o nu s e dar a p i d s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h ee n e r g yd e t e c t i o n ，i m p l e m e n t a t i o nb yt h e c o r r e l a t i o n ，b i ts y n c h r o n i z a t i o na n df r a m es y n c h r o n i z a t i o nc a nb ea c h i e v e m e n ta tt h e s a m et i m e f o rt h ed o p p l e rf r e q u e n c yc o r r e c t i o no f b u r d e nc o m m u n i c a t i o n ，d e s i g n e da f r e q u e n c yd e t e c t o rw h i c hb a s e do nt h ea u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l ( a f c ) l o 叩， t h r o u g ha m e n d m e n tt h ef r e q u e n c yc o n t r o lw o r do fn u m b e rc o n t r o lo s c i l l a t o r ( n c o ) t oc a l i b r a t et h el o c a lc a n i e rf r e q u e n c y , t h ea l g o r i t h m ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，t h er e m o u n t o fc o m p u t i n gi ss m a l la n df r e q u e n c yo f f s e tc o r r e c t i o nf a s t ，h a sg o o dp r a c t i c a b i l i t y t h e n ，a n dt h ec o r r e c t i o no fi n i t i a lp h a s ei nt h et e x tp r e s e n t e das i m p l em e t h o do f c o r d i c a n ds o m eo f t h em a i ni s s u e so ff p g a p r o g r a m m i n gw e r ei n t r o d u c e d i nt h e a r t i c l ed e s i g n e do ft h ea d a p t i v em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nm o d u l e s ，u s i n gc h a n n e l e s t i m a t i o nt og e tt h eb i tc a l o rr a t e a st h ea t l o rr a t ea n ds n rt oc h a n g em o d u l a t i o n m e t h o d s ，i no r d e rt oa c h i e v et h eb e s tt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e k e y w o r d ：8 p s kf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yc o - o r d i n a t er o t a t i o n d i g i t a lc o m p u t i n ga d a p t i v et r a n s m i s s i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外，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 西安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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：圭盈王日期竺塑：厶堕 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解两安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 木人签名： 导师签名： 晰；玉 日期! ! ：! ! 竺 日期o 。堡霪，z ：幺一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字化调制解调技术的发展现状 调制与解调是现代通信的重要手段，调制就是在发射端用一个载波来运载基 带信号，使载波信号的某一个( 或几个) 参量随基带信号的变化而变化。解调是 调制的逆过程，它是在接收端从已调制的信号中恢复出基带信号。 数字传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。基带传输系统要求信道具 有低通的传输特性。但是，实际无线信道大多数都具有带通的传输特性。因此， 在频带传输系统中，我们用数字基带信号对载波进行调制。与模拟调制相同，数 字调制通过基带信号也可以改变载波的幅度、频率或相位中的某个参数。但是由 于数字信号的特点：时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”， 称为“键控法”。基本的数字调制方式是：振幅键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) 。正交振幅调制( q _ a m ) 和正交频分复用( o f d m ) 方式在 恒参信道中有高的频谱利用率。因此正交振幅调制在有线电视网络高速数据传输 和卫星通信等领域得到了广泛应用，而正交频分复用在高清晰数字电视广播系统 和宽带无线接入等领域得到了成功应用。 高斯最小移频键控( g m s k ) 和p 侔d q p s k 具有较强的抗多径衰落性能，带 外功率辐射小等特点，因而在移动通信领域得到了应用。高斯最小移频键控用于 泛欧数字蜂窝移动通信系统( g s m ) ，p 4 d q p s k 用于北美和日本的数字蜂窝移 动通信系统”1 。 随着信息电子技术和工艺的突飞猛进，更新的调制解调技术会不断出现。虽 然调制解调方式多种多样，但是有一点是肯定的，那就是未来的调制解调技术都 是朝着一个方向发展的：使通信变得更可靠和更高速。 1 2 研究背景及意义 在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的 问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。在这种情况下，传统 的调制方式已经不能满足应用的需求，需要采用新的数字调制方式以减小信道对 传输信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。因而研究 数字调制技术有着重要的意义。而软件无线电是近年提出的新的通信体系，由于 其具有灵活性和可重配置性并且符合通信的发展趋势，已成为通信系统设计的研 2 基于f p g a 的8 p s k 调制制解调技术研究 究热点。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。 因此，在通信系统发展越来越快的今天，对基于软件无线电的调制解调技术进行 深入细致的研究非常有意义。 卫星的星地数据传输链路是整个卫星通信系统的最重要的通信链路，是系统 承担业务量的瓶颈，它的性能直接关系到整个系统的性能。和其他的通信系统一 样，我们总是希望在有限的信道中更快更好的进行信息的传输，即要在尽量窄的 频带内，使信息的传输速率最大，同时尽可能的减小能量的消耗，改善所需的信 噪比。卫星通信系统中的星地链路信道是一个加性高斯白噪声信道，由于在此信 道中进行远距离高速数据传输，且典型的航天器下行信道末级放大器多采用工作 在非线性范围的行波管，因此要求其调制方式必须为恒包络调制方式。否则，如 果包络有起伏的话，经过非线性放大器后，会使信号频谱扩展，发射端带限滤波 器将失去作用，接收信号将出现失真。恒包络调制方式通常有频移键控( f s k ) 、 相移键控( p s k ) 和差分相移键控( d p s k ) 等方式。由于在a w g n 信道上，在 相同的信噪比条件下：相干p s k 具有最低的误码率和抗干扰性，所以卫星通信系 统的高速数据传输调制体制应确定在p s k 方式下。此外，为了在宝责的星地链路 上更有效的提高频带利用率，通常采用多元p s k 调制方式。如果单纯从频带利用 率的角度出发，希望尽可能的运用复杂的m 元调制方式，这时，系统的频带利用 率是随着m 的增加而以l 0 9 2 ( m ) 系数倍增加。但与此同时，m 的增加将伴随着 系统信号功率的加大和实现复杂度的提高。因此在功率受限的星地链路中，m 不 可能无限的增大。从实际技术应用和设备复杂程度考虑，目前情况下，运用于同 步轨道与地面通信系统的多元相移调制一般不超过1 6 p s k 。m 3 2 的相移调制方 案在现代通信中很少使用。因此，高速数据传输为了达到更好的频带利用率，8 p s k 成为重点的考虑方案。 现代数字调制解调器工作在很高的频率上，专用集成电路( a s i c ) 和f p g a 由于具有速度高、面积小和性能可靠等特点，已经成为高速数字调制器实现中首 选的方案。然而，在数字调制器中含有大量的加法和矢量乘法运算，因此它对硬 件资源的要求比较高。当数字调制器的速度比较高时，用v l s i 方案直接实现， 电路的时延和占用的硬件资源几乎不可接受。因此，并寻找适合v l s i 的实现结 构就成为一个重要课题。 1 3 本文主要研究内容概要 本人在项目中的工作主要是对8 p s k 调制解调算法进行研究并在f p g a 上实 现，作者通过查阅大量的相关资料，深入地研究了8 p s k 调制解调技术并在m a t l a b 中进行了算法仿真；同时，学习了软件无线电相关理论，特别是对整数倍内插和 第一章绪论 3 抽取、数字带通采样、积分梳状滤波、数字下变频等关键技术做了深入地分析， 最后把这些技术都应用到了f p g a 实现模块中。对上述调制解调算法的f p g a 设 计经过了m a t l a b 仿真，v c r i l o gh d l 代码的编写，硬件平台上的调试等步骤。所 有的f p g a 实现是在一个中频数字化的硬件平台上( d s p + f p g a ) 完成的。本文 主要各章节的安排如下： 第二章软件无线电关键理论：主要介绍了软件无线电中的一些理论和技术， 包括多速率信号处理中的整数倍抽取和整数倍内插理论、带通采样理论、积分梳 状滤波和数字下变频技术。这些理论和技术最后都应用到了调制解调技术的 f p g a 实现中。 第三章8 p s k 差分调制解调技术研究：首先，介绍了8 p s k 调制解调算法； 其次，介绍了调制解调系统设计方案，数字下变频的实现方式，并且选取了一种 适合f p g a 实现的8 p s k 差分解调算法；其次介绍了8 p s k 信号的同步算法。最 后介绍了在f p g a 工程设计中遇到的一些问题和设计经验。 第四章8 p s k 相干调制解调技术的研究：首先，重点介绍了系统中用于频偏 校正的自动频率控制( a f c ) 环的设计与实现，包括a f c 环的介绍和相关模块的 设计与实现；然后介绍了8 p s k 相于解调中的相位模糊纠正算法和相差纠正算法 的c o r d i c 实现，在本章的最后介绍了适合于f p g a 实现的8 p s k 相干解调算法。 第五章自适应调制解调方案：本章给出了一个自适应调制解调方案的 v c d l o g h d l 设计方案，以作为后面工作的参考。 第二章软件无线电部分理论 第二章软件无线电关键理论基础 软件无线电是一个以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电 子技术为支撑的新的无线通信体系结构1 1 1 。它包含了一些新的理论和技术，如多 速率信号处理理论、数字变频等技术。本章主要介绍了在调制解调算法f p g a 实 现中所用到软件无线电部分理论。 2 1 带通信号采样定理 当采样信号的频率分布在某一有限的频带( a 厶) 上时，如果按照n y q u i s t 采样定理，则采样频率有可能会很大，以至很难实现，或者后处理的速率也满足 不了要求。这时就要按照带通信号采样定理来设置采样频率，其具体定义如下： 设一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( 无厶) 内，如果其采样速率五满 足： 五= 鲁 ( 2 - 1 ) 式中，n 取能满足正2 ( 厶一a ) 的最大正整数( o ，1 2 ) ，则用正进行等间 隔采样所得到的信号采样值x ( n r ) 能准确地确定原信号石( f ) 1 1 。 当己知中心频率石= 生 盟，带宽为b 时，式( 2 7 ) 可化简为： 4 f 五2 焘( 2 - 2 ) 显然，当f o = 厶2 ，b = 厶，w = 0 时，z = 2 f ，即带通采样定理包括了 n y q u i s t 采样定理。根据带通采样定理，可以得到采样频率的采样范围。但是在实 际中，采样频率的最终确定还需综合考虑a d 转换速度、后级滤波器的工作频率 以及设计的难易程度等因素，因此采样频率存在一个最佳值。 2 2 多速率信号处理中的内插和抽取 2 2 1 整数倍内插 内插理论n 是软件无线电发射机中数字上变频技术的理论基础。内插是在保 持信号频谱不变的情况下提高信号采样率。内插的方法很多，一个最简单的方法 6 基于f p g a 的8 p s k 调制解调技术研究 就是在每个有效的输入采样之间插入i - 1 个零，再通过低通滤波器把零值采样点 处的值转化为实际输入相应位置的近似，使原信号采样率增加i 倍。i 为一正整数， 称为内插因子或内插率。 设有序列x ( n ) ，i 倍内插后得序列y ( m 1 ，其表达式为： y ( 州) = k 0 沏 ：嚣兰茏釜： ) y 【州j = 肌o j 2 ，村 瞄j ) 如图2 1 所示。 图2 1 整数倍内插不惫图 根据式( 2 3 ) ，对序列y ( m 1 进行z 变换，可推导出： 】，( z ) = y ( m ) z 一= y ( m i ) z 州 m = - 0 0 m = - 0 0 = x ( m ) z 州 埘7 = = x ( z 。、 把z = p 代入式( 2 - 4 ) ，得到内插前后信号的频谱关系为： y ( e ”) = x ( e j 6 , 1 ) ( 2 q ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可见，内插后的信号频谱为原始序列谱经i 倍压缩后得到的谱。 在y ( e p ) 中不仅含有z ( p p ) 的基带分量，而且还含有其频率大于l r i 的高频成 分( 称其为x ( e ”) 的高频镜像) 。因此，只要对内插的信号进行去镜像滤波( 低 通滤波器的带宽为万i ) 就能恢复出原始谱。经滤波后，原来插入的零值点就变 为x ( n 1 的准确内插值。由此可见，内插可以大大提高了时域分辨率。这也正是 在调制器电路设计中引入内插器的原因，即通过提高时域分辨率来提高信号的采 样速率。通过上述分析得到一个完整的i 倍内插器的结构如图2 2 所示。 茎三兰竺堡垂垡皇苎坌望笙 一一_ 二 2 2 2 整数倍抽取 工卜雪 图2 2i 倍内插器的结构 抽取理论是软件无线电接收机中数字下变频技术的理论基础。所谓整数倍 抽取，就是当信号a d 采样后的数据流速率很高时，为降低速率以便处理和计算， 把原始采样序列工( ”) 每隔( d - - i ) 个数据取一个，以形成一个新序列y ( m ) ，即 y ( m ) = x ( m d ) ( 2 6 ) 式中正整数d 称为抽取因子。如图2 3 所示。 假设一个新的信号工( 栉) ，当胛= o ，d ，2 d ，时，工( ”) = 工( 甩) ；当栉为其他 值时，工( ”) = o 。下面对式( 2 6 ) 两边进行离散傅立叶变换，推导过程如下： y ( z ) = y ( 聊) z 一= x ( m d ) z = x ( m d ) z 一= l ( 优) z 。 一 一 一m = 量 砌，b 蓑口等弘罟 q - 7 ) ：土宇x f - p 一，百2 t t l z 击 ， d 篙l j 把z ：p 如代入式( 2 7 ) 可得抽取前后信号的频谱关系： 基于f p g a 的8 p s k 调制解调技术研究 y c 一= 去篓x e j ( w - 2 , a ) o ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 表明，抽取后序列的频谱为抽取前原序列的频谱经频移和d 倍 展宽后的d 个频谱叠加和。显然，抽取后的频谱会发生混叠现象，使得无法从 y ( p 归) 中恢复出原信号的频谱分量。但是如果事先对( p 归) 进行抗混叠滤波处理 ( 低通滤波器的带宽为石d ) ，使得x ( p 加) 中只含有小于万d 的频谱分量，经过 d 倍抽取后，信号的频谱就不会发生严重的混叠现象。为此，一个完整的d 倍抽 取器结构如图2 4 所示。 j 叵卫 图2 4d 倍抽取器结构 2 3 数字滤波技术 从前面的讨论已经知道，实现采样率变化的关键问题是如何实现抽取前、内 插后的数字滤波器。数字滤波器是采用有限精度算法实现离散时间系统，通常应 用于修改或者改变时频域中信号的属性。因此，无论是抽取还是内插，都需要设 计一个满足抗混叠要求的数字滤波器。同时滤波器还起到滤掉带外噪声，使带内 信号顺利通过的作用。滤波器性能的好坏，将直接影响通信系统的整体性能。 2 3 1 积分梳状( c i c ) 滤波器 ( 咒) 2 1 0 ：其他 ( 2 9 ) 徘1 ：筹i 哮d - 1 斟 第二章软件无线电部分理论 9 p ( ) i = j 净专弋 ； 厂、r 、 - - 。_ _ 。_ - - - - 。- j 。- 。- 。-_ 。- l - 。- - 。- ll1 ( 2 - 1 1 ) 图2 5c i c 滤波器的幅频特性和相频特性( d = 1 0 ) 由图2 5 可以得出，c i c 滤波器的第一旁瓣只比主瓣低了不到2 0 d b ，这意味 着阻带衰减很差，一般是难以满足实用要求的。为了降低旁瓣电平，可以采用多 极c i c 滤波器级联的办法来解决。级联后的幅频特性为： j 日( p 加) i = ( 2 - 1 2 ) 下面通过公式推导出级联后的c i c 滤波器的阻带衰减计算公式。 对于单级c i c 滤波器，由式( 2 1 0 ) 可以得到，当0 3 = 0 时，主瓣的电平为d ； 当= 1 5 警时，第一旁瓣的电平4 为筹。从而可以得到第一旁瓣电平与主瓣 电平的差值f ( 用d b 表示) ： 2 ；= 2 0 1 9 d = 2 0 k 孚= 1 3 4 6 衄 ( 2 - 1 3 ) 那么级联后的c i c 滤波器的阻带衰减计算公式为f 1 3 4 6 。当d = 2 ，l = 5 时，五级c i c 滤波器的阻带衰减就有6 7 d b ，基本能满足实际要求。其传输函数 见式( 2 1 5 ) ，幅频特性如图2 6 所示。 单级c i c 滤波器传输函数( d = 2 ) 为： 。 o 锄加 际 (日p)8pnl芒牙蔓 52 图如 (sm翻pj市上正 1 0 基于f p g a 的8 p s k 调制解调技术研究 h ( z 、= l + z 一1 5 级c i c 滤波器传输函数( d = 2 ) 为： h ( z 、= 1 + 5 z 一1 + l o z 。2 + l o z 。3 + 5 z 4 + ：4 1 0 0 5 0 0 雩- 5 0 弓1 0 1 3 霎一1 5 0 2 0 0 2 5 0 f r e q u e n c yr e s p o n s ef o rt h ec i cd e c i m a t i o nf i l t e rl = 5 、 、 、 一* 、弋乙 if i i1l i ! | ： l ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 7 掣、 i n t e g r a t o r s - 元c o m b 单元 图2 7 积分一梳状级联结构 第二章软件无线电部分理论 2 3 2f i r 数字滤波器 设输入信号x ( n ) ，输出信号y ( n ) ，冲激响应为h ( n ) 的数字滤波器可用下面的 式子表示，即： y ( 撑) - - z ( _ i ) x ( n - k ) + 帕 用离散卷积符号可简单表示为： y ( 珂) = ( ) 工( 胛) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 数字滤波器可以有两种形式实现，即有限冲击响应滤波器f i r 和无限冲激响 应滤波器i i r 。所谓有限冲击响应滤波器f i r 是指冲激响应函数为有限个值的数 字滤波器，既满足： h ( n ) = 0 ，以 2 及n n 1( 2 - 1 8 ) 式中n 。、2 为有限值，或者说f i r 滤波器的冲激函数h ( n ) 只在有限范围内 n 。k n 2 - 1 不为零，设计中通常取n l = o ，n 2 = n 1 ，所以f i r 滤波器有： n - i y ( ，z ) = ( 七) x ( n - k ) o f i r 数字滤波器的频率响应可表示为： n - 1 _ ) ，( 咒) - - z ( 七) p m 0 更一般地，数字滤波器h f k ) 的频率响应可表示为： n - 1 ( p 一) - - z ( i ) e m o ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 所谓滤波器设计就是在给定日( p 一) 或者日( p 一) 特征参数的条件下，求出冲激 函数h 仪) 。f i r 相对于i i r 有很多独特的优越性，如线性相位、稳定性等，而且 f i r 滤波器的设计相对成熟，方法也很多，所以下面重点讨论f i r 滤波器的设计 技术。 f i r 滤波器有如下特点： 一、系统的单位脉冲相应h 在有限个n 值处不为零； 二、系统函数h ( z ) 在处收敛，极点全部在z = o 处( 因果系统) ； 1 2 基于f p g a 的8 p s k 调制解调技术研究 三、结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中( 如 c i c 滤波器) 也包含有反馈的递归结构。 2 4 数字下变频技术 数字下变频旺1 ( d d c ) 技术是软件无线电的核心技术之一。其在数字接收机 中要完成主要任务是将中频信号变为基带信号，以降低后续数字信号处理的压 力：，d d c 必须通过抽取、滤波以实现数据速率的下降。数字下变频的算法原理 框图如图2 8 所示。 数字下变频器包括数字混频器、数字控制振荡器【3 1 4 ( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r - - n c o ) 和低通滤波器三部分组成。数字下变频的工作原理就是输入信 号与一个本地振荡信号的乘法运算。本地振荡信号是由数字控制振荡器产生的， 它在d d c 中相对来说比较复杂，也是决定d d c 性能的最主要因素之一。下面将 介绍数字控制振荡器的工作原理及实现。 基 带 信 号 处 理 图2 8 数字下变频的算法原理框图 n c o 的目标是产生一个理想的正弦或余弦波( 下面用正弦来统称正弦或余 弦) ，更确切地说是产生一个频率可变的正弦波样本，如式( 2 2 2 ) 。 ， s ( n ) = e o s ( 2 ，r 华甩) ( 疗= o ，1 ，2 ) ( 2 - 2 2 ) js 式中，- ，乙为本地振荡器频率；五为d d c 输入信号的采样频率。 n c o 的实现方法有实时计算法和查表法等多种方法。实时计算法的正弦波样 本需要通过实时计算的方法产生，由于计算需要占用时间，所以它只能产生频率 较低的正弦波，而要用此方法来产生高频率的正弦波是比较困难的。因此在实际 应用中一般采用最有效、最简单的查表法，即事先根据各个n c o 正弦波相位 计算好相位的正弦值，并按相位作为地址信息存储该相位的正弦值数据。其工作 原理：通过相位累加产生地址信息，输出当前时刻的相位值对应的正弦值。n c o 结构框图如图2 9 所示。 第二章软件无线电部分理论 弦值输出 图2 9n c 0 结构框图 n c o 的频率控制字庐。由本地振荡频率无。、输入信号的采样频率正和相位 累加器的位数n 决定。它们之间的关系见下式： 西，：血 、 f s ( 2 2 3 ) 影响数字下变频器性能的主要因素有：( 1 ) 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；( 2 ) 数字本振相位的分辨率不够而 引起数字本振样本数值的近似取值。因此，在设计n c o 时要全面的考虑上述因 素，只有这样才能设计出性能好的数字下变频器。 第三章8 p s k 差分调制解调技术研究 第三章8 p s k 差分调制解调技术研究 在本文中主要研究了8 p s k 调制解调技术”1 的f p g a 实现问题，下面将对 8 p s k 调制解调技术进行详细介绍。 由软件无线电理川论可知任何一个无线电信号均可表示为： s ( t ) = a ( t ) c o s 2 z f d + q ( t ) 】 ( 3 - 1 ) 式中，口( r ) 、妒( f ) 分别表示该信号的幅度信息和相位调制信息，五为信号载波( 中 心频率) ，而频率调制信息也反映在相位调制信息中，即：，( f ) ：生掣； 对式( 3 1 ) 进行数字化，可以得到： s ( 咒z ) = 口( 开z ) c 0 町2 石矗，z 互+ 妒( n z ) 】( 3 - 2 ) 式中，z2 为采样间隔，( 3 - 2 ) 通常简写为： s ( 歼) = a ( n ) c o s w o n + q ，( n ) 】 ( 3 3 ) 式中，c o o - = 2 z f o t , 为数字角频率，取值( 0 石) ，为了便于进行信息调制，通常把 ( 3 3 ) 表示成： s ( 玎) = i ( n ) c o s ( w o n ) + q ( n ) s i n ( w o n ) ( 3 - 4 ) 式中，l ( n ) = a ( n ) c o sq o ( n ) ，q ( 咒) = - a ( n ) s i n _ o ( n ) 。正交调制的方法是先根据调制 方式求出l ( n ) 、q ( n )，然后分别与两个正交本振信号c o s ( w o n ) 、s i n ( w o n ) 相乘并求和，即可以得到调制信号s ( n ) ，如图3 1 所示。 图3 1 正交调制数字模型 多相位调制6 的一般表达式为： s 1 6 基于f p g a 的8 p s k 调制解调技术研究 气埘( f ) = g ( t 一，l 正) c o s ( q f + 纸) ( 3 5 ) 式中g ( t ) 为信号包络波形，一般为矩形波，幅度归一化为l ；z 是码元宽度；嗥是 载波角频率：是第n 个码元对应的相位，共有m 种。根据( 3 4 ) 可知多相位调 制的一般表达式还可以写成： f i 研= l ( t ) e o s ( a _ ) t ) + q ( t ) s i n ( c o t ) m ) = a g ( t 一玎z ) ( 3 6 ) iq ( f ) = b g ( t - n t , ) l “ 其中a 。、吃为i 、q 支路的幅度。然而，解调过程是上述原理的逆过程。 根据式( 3 6 ) 得出8 d p s k 正交调制原理图3 2 a 。调制器的f p g a 实现包括： 星座映射、内插、滤波，最后由数字上变频器件a d 9 8 5 7 完成上变频。解调器是 调制器的逆过程，根据式( 3 6 ) 和图3 2 a 可以得到3 2 b 所示的正交解调原理图。 解调过程：由a d 直接中频采样，然后由f p g a 实现位同步、抽取、滤波、反映 射解码，得到信息符号。 图3 2 a8 d p s k 调制系统框图 e o s w t 星 由 t 匪办凰囡 座o并 映变 射换 图3 2 b8 d p s k 解调系统框图 在a w g n 信道环境下，相干解调性能明显优于非相干解调，大概有2 - 3 d b 的改善，这是毋庸置疑的。但是由于信号经过移动信道后产生的衰落和载波漂移 的因素，在相干载波的提取上有很大困难，并且相干接收机的复杂度很高。而非 第三章8 p s k 差分调制解调技术研究 相干解调尽管理论上性能比相干解调差一些，但对信道衰落等因素不太敏感，即 使在信道衰落较大的情况下，误码性能的恶化也不会太严重，并且非相干接收机 的设计相对于相干解调简单得多。所以在本章中首先介绍8 p s k 的差分解调，而 相干解调将放在第四章进行介绍。 3 1 调制器设计与实现 根据原理图3 2 设计了8 p s k 差分调制实现框图3 3 。 3 1 1 差分编码器 图3 38 p s k 调制器实现框图 差分编码器在调制器中的功能是编码和星座映射，根据8 p s k 星座图的特点， 那么，差分编码规则是5 1 ：每个码元三个比特，通过g r a y 差分相位编码的方法 来改变信号的相位。也就是说，通过g r a y 编码来改变当前码元信号向量与前一码 元信号向量的相位差，即相对相位。这些比特数据与相位差的关系如表3 1 所示， 映射后星座图如图3 4 所示。 表3 1 编码与信号点的映射关系 三位比特当前码元的相位增量三位比特当前码元的相位增量 0 0 0o1 0 1 0 0 141 0 05 4 0 1 1“2 1 1 0 3 2 1 1 1 3 4 0 1 07n 4 根据上述规则，通过对三个比特的输入数据编码，得到当前码元的相对相位。 把前一码元的绝对相位加上当前码元的相对相位，就可以得到当前码元的绝对相 位( e ，i - - 0 ，1 ，7 ) 。这样，我们就可以得到第k 个码元经过差分编码后的输出 脉冲值为a 沙( 1 支路的输出值为：ac o s ( e , ) ，q 支路的输出值为：as i n ( 0 , ) ) 。 基于f p g a 的8 p s k 调制解调技术研究 图3 48 p s k 星座图 在f p g a 实现的差分编码器 “耵中，比特数据经过编码，得到相位值，利用 上述两个值作为地址，通过查r o m 表的方法输出脉冲值。因为与直接法相比， 用查表法进行设计时不涉及正余弦运算，不进行乘法运算，程序执行速度快。同 时，由于需要存储的脉冲值只有8 种情况，所以不会占用f p g a 太多的资源。 3 1 2 内插和成型滤波 差分编码器输出数据的速率是1 2 8 k b p s ，所以设计中采用了内插的方法来实 现速率的提升。内插理论参见2 2 1 整数倍内插部分。 在内插器的设计中，采用了最简单的实现方法，即在数据之间插零。零的个 数n 由内插前后数据的速率决定，本设计中n - - - - 7 。内插器通过数据锁存器和计数 器实现。但是此过程中会产生严重的带外辐射，导致码间干扰和带外辐射增大， 为了减小这些对信号解调的影响，设计中加入了成型滤波器。 在成型滤波器设计中，滤波器的抽头系数是根据滤波器的冲击响应公式“1 通 过m a t l a b 仿真求得。 g ( f ) = l - a + 4 _ e a 。f ：0 心+ ) s i n ( 4 - - 音) + ( 1 一扣( 割户石t ( 3 - 7 ) s i n z ( 1 -