2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)技術研究

1、2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)技術研究2009-08-11 11:49:43 | 天際的荒草 發(fā)表于分類: Documents 標簽：2DPSK, 2DPSK， MATLAB, DFT, digital demodulate, Discrete Fourier Transform, MATLAB, SDR, software radio, 數(shù)字化解調(diào), 軟件無線電 0目  錄摘要.IABSTRACT II第一章  緒論11.1 軟件無線電概述.11.1.1軟件無線電的基本概念及由來11.1.2 軟件無線電的主要特點及優(yōu)點11.1.3 軟件無線電的基本結構21.2 軟件無線電中的調(diào)

2、制解調(diào)技術.51.2.1 軟件無線電中的調(diào)制解調(diào)問題51.2.2 正交調(diào)制原理.61.2.3 正交解調(diào)原理.81.3 課題設計內(nèi)容.10第二章  幾種基于DFT的數(shù)字化解調(diào)技術.112.1 DFT的基本原理.112.2 AM信號解調(diào).112.2.1 解調(diào)方法.112.2.2 解調(diào)失真度122.3 QDPSK信號數(shù)字化解調(diào).122.3.1 解調(diào)方法.132.3.2 位同步方法132.3.3 QDPSK信號的數(shù)字化解調(diào).14第三章  2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)算法.163.1 2PSK及2DPSK信號原理.163.2 基于DFT的2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)方法.173.3 解調(diào)中的

3、位同步方法.183.4 相關說明與討論19第四章  2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)的仿真研究.214.1 仿真軟件工具的選擇.214.2 程序流程圖.224.3 仿真主要代碼介紹.264.4 仿真輸出結果.27第五章  畢業(yè)設計總結305.1 基于DFT的2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)算法的優(yōu)點.305.2 設計中遇到的問題和不足之處305.3 心得體會31結束語.32參考文獻33摘  要軟件無線電（SDR）自從1992年被正式提出以來，受到了越來越多的關注，應用也越來越廣泛。軟件無線電技術一個很重要的內(nèi)容就是信號的數(shù)字化調(diào)制與解調(diào)。本文首先闡述了SDR的概況，然后介紹了幾種

4、信號的數(shù)字化解調(diào)算法。并且提出了一種在軟件無線電中基于離散傅立葉變換（DFT）算法的二進制相對相移鍵控（2DPSK）信號的數(shù)字化解調(diào)算法，通過對載波周期內(nèi)的采樣值進行DFT來提取相位信息并恢復原始調(diào)制信號。用MATLAB對這個算法進行了仿真研究的結果表明：采用該方法可以正確的實現(xiàn)2DPSK信號的解調(diào)，與傳統(tǒng)的解調(diào)方法相比,不僅解調(diào)過程簡單，易于實現(xiàn)，計算量小，而且抗干擾性能得到了明顯的改善。將該方法用于2DPSK信號方式的數(shù)字化接收機設計中具有實際的意義。關鍵詞：  軟件無線電， DFT， 2DPSK，數(shù)字化解調(diào)， MATLABABSTRACTSince the software r

5、adio (SDR) has been formally proposed in 1992, it has been attentioned more and more, and its application increased extensivly. An important element of the SDR is the digital signal modulation and demodulation. This paper first describes the SDR profiles, and then introduces several digital signals

6、demodulation algorithm. And presents a DFT- based digital demodulation scheme for 2DPSK signal in software radio.The idea is to do DFT on samples in every one (or several) carrier circle to get the phase of the 2DPSK signal and resume the modulated signal. MATLAB algorithm for the simulation results

7、 show that: 2DPSK signal can be demodulated accurately with DFT algorithm. Comparing with traditional methods, not only the process is simple and easy to realize with less computation, but also noise- resisting property is improved obviously. This method has practical significance in design of 2DPSK

8、 signal digital receiver.KEY WORDS： software radio（SDR），  2DPSK，  MATLAB，Discrete Fourier Transform（DFT），  digital  demodulate第一章  緒論1.1軟件無線電概述1.1.1軟件無線電的基本概念及由來軟件無線電（SDRsoftware definded radio）是指在無線電系統(tǒng)中用軟件處理的方式來實現(xiàn)智能天線、調(diào)制解調(diào)等功能，其突出特點是使產(chǎn)品的生產(chǎn)和維護簡化，可靠性提高，能兼容多種信號方式，可通過更新軟件來升級系統(tǒng)功能

9、等。通信裝備從傳統(tǒng)電臺發(fā)展到軟件無線電，中間有一個從量變到質(zhì)變的過程。最開始人們在設計中嘗試將所需要支持的多種不同的設備集成在一個結構里，由硬件模塊完成在不同設備之間的切換。如果使用這種方法，系統(tǒng)的體積和重量會隨著要支持的設備種類增加而增加，顯然，這種做法難以解決多少問題。為了避免系統(tǒng)體積無限增大，隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，出現(xiàn)了可編程數(shù)字無線電，開始嘗試硬件模塊復用以降低成本?？删幊虜?shù)字無線電可以進行部分重構，簡單地修改電臺參數(shù)，重構功能主要集中在基帶處理部分，比如選擇前向糾錯編碼的方式等。電臺功能，尤其是發(fā)射和接收操作，依然主要由硬件控制，限制了電臺向多頻段多功能發(fā)展的能力。隨著越來越多

10、的基本功能改由軟件完成，系統(tǒng)的靈活性日益增強。另外，器件技術的進步驅(qū)使模擬/數(shù)字接口逐漸靠近天線，可以由軟件實現(xiàn)更多的功能，模擬電路對射頻特性的影響不斷降低。由此逐漸產(chǎn)生一種全新的體系結構，誕生出軟件無線電。1992年5月，MILTRE公司的Jeo Mitola首次明確提出了軟件無線電（soft radio）的概念。其中心思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶A/D（模擬/數(shù)字）和D/A（數(shù)字/模擬）轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)?？梢哉f這種電臺是可用軟

11、件控制和再定義的電臺。選用不同的軟件模塊就可以實現(xiàn)不同的功能，而且軟件可以升級更新，其硬件也可以像計算機一樣不斷地升級換代。由于軟件無線電的各種功能是用軟件實現(xiàn)的，如果要實現(xiàn)新的業(yè)務或調(diào)制方式只要增加一個新的軟件模塊即可。同時，由于它能形成各種調(diào)制波形和通信協(xié)議，故還可以與舊體制的各種電臺通信，大大延長了電臺的使用周期，也節(jié)約了開支。有些人也把軟件無線電稱為“超級計算機”。1.1.2 軟件無線電的主要特點及優(yōu)點軟件無線電的主要特點可以歸納如下:（1）具有很強的靈活性  軟件無線電可以通過增加軟件模塊，很容易增加新的功能?？梢耘c其他任何電臺進行通信，并可以作為其他電臺的射頻中繼?？梢酝?/p>

12、過無線加載來改變軟件模塊或更新模塊。為了減少開支，可以根據(jù)所需功能的強弱，取舍選用的軟件模塊。（2）具有較強的開放性  軟件無線電由于采用了標準化、模塊化的結構，其硬件可以隨著器件和技術的發(fā)展而更新或擴展，軟件也可以隨需要而不斷升級。軟件無線電不僅能和新體制電臺通信，還能和舊體制電臺兼容。這樣，既延長了舊體制電臺的使用壽命，也保證了軟件無線電本身有很長的生命周期。軟件無線電的主要優(yōu)點有:(1)簡少了通信設備的硬件電路, 使系統(tǒng)的可靠性大大提高, 生產(chǎn)和維護因此變得十分簡單;(2)可以通過更新軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能指標的升級;(3)可以以很低的代價來擴展系統(tǒng)的功能, 達成對多種信號體

13、制兼容的工作能力;(4)通過改進數(shù)字信號處理算法, 可以獲得比基于電路的傳統(tǒng)通信設備更好的性能指標。軟件無線電這一新概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無線電領域的廣泛關注。由于軟件無線電所具有的靈活性、開放性等特點，使其不僅在軍、民無線通信中獲得應用，而且將在其他領域例如電子戰(zhàn)、雷達、信息化家電等領域得到推廣，這將極大促進軟件無線電技術及其相關產(chǎn)業(yè)（集成電路）的迅速發(fā)展。1.1.3 軟件無線電的基本結構軟件無線電的基本思想1是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來。功能的軟件化實現(xiàn)勢必要求減少功能單一、靈活性差的硬

14、件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線。軟件無線電強調(diào)體系結構的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結構，實現(xiàn)新的功能。軟件無線電采用標準的、高性能的開放式總線結構，以利于硬件模塊的不斷升級和擴展。理想軟件無線電的組成結構如圖1.1所示。圖1.1  軟件無線電結構框圖軟件無線電主要有天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器以及各種軟件組成。軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，例如1MHz2GHz，要求每個頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務的需求。例如，在軍事通信中，可能需要VHF/UHF的視距通信、UHF衛(wèi)星

15、通信，HF通信作為備用通信方式。為便于實現(xiàn)，可在全頻段甚至每個頻段使用幾付天線，并采用智能化天線技術。射頻前端在發(fā)射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務，接受時實現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。在射頻變換部分，寬帶、線性、高效射頻放大器的設計和電磁兼容問題的處理是比較困難的。當然，如果采用射頻直接數(shù)字化方式，射頻前端的功能可以進一步簡化，但對數(shù)字處理的要求提高。要實現(xiàn)射頻直接帶通采樣，要求A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的工作帶寬（2GHz以上），較高的采樣速率（一般在60MHz以上），而且要有較高的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，以提高動態(tài)范圍。目前8位A/D轉(zhuǎn)換器的工作帶寬已做到1.5GHz以上。模擬信號進行數(shù)字化后的處

16、理任務全由DSP軟件承擔。為了減輕通用DSP的處理壓力，通常把A/D轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)字信號，經(jīng)過專用數(shù)字信號處理器件（如數(shù)字下變頻器DDC）處理，降低數(shù)據(jù)流速率，并把信號變至基帶后，再把數(shù)據(jù)送給通用DSP進行處理。通用DSP主要完成各種數(shù)據(jù)率相對較低的基帶信號的處理，例如信號的調(diào)制解調(diào)，各種抗干擾、抗衰落、自適應均衡算法的實現(xiàn)等，還要完成經(jīng)信源編碼后的前向糾錯（FEC）、幀調(diào)整、比特填充和鏈路加密等算法。由于DSP技術和器件的發(fā)展，高速、超高速的數(shù)字信號處理器不斷涌現(xiàn)，如TMS320C6X,ADSP21160等，DSP已能基本滿足軟件無線電的技術需求。如果采用多芯片并行處理的方法，其處理能力還將

17、大大提高。軟件無線電的結構基本可以分為3種：射頻低通采樣數(shù)字化結構、射頻帶通采樣數(shù)字化結構和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結構，如圖1.2圖1.4所示。圖1.2  射頻低通采樣數(shù)字化的理想軟件無線電結構射頻低通采樣數(shù)字化的軟件無線電，其結構簡單，把模擬電路的數(shù)量減少到最低程度，如圖1.2所示。從天線進來的信號經(jīng)過濾波放大后就由A/D進行采樣數(shù)字化，這種結構不僅對A/D轉(zhuǎn)換器的性能如轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動態(tài)范圍等提出了非常高的要求，同時對后續(xù)DSP或ASIC(專用集成電路)的處理速度要求也特別的高，因為射頻低通采樣所需的采樣速率至少是射頻工作帶寬的2倍。例如，工作在1MHz1GHz的軟件無線電

18、接收機，其采樣速率至少需要2GHz，這樣高的采樣率，A/D能否達到暫且不說，后續(xù)的數(shù)字信號處理器也是難以滿足要求的。圖1.3所示的射頻帶通采樣軟件無線電結構可以較好的解決上述射頻低通采樣軟件無線電結構對A/D轉(zhuǎn)換器、高速DSP等要求過高，以至無法實現(xiàn)的問題。圖1.3  射頻帶通采樣軟件無線電結構這種射頻帶通采樣軟件無線電結構與低通采樣軟件無線電結構的主要不同點是，A/D前采用了帶寬相對較窄的電調(diào)濾波器，然后根據(jù)所需的處理帶寬進行帶通采樣。這樣對A/D采樣速率的要求就不高了，對后續(xù)DSP的處理速度也可以隨之大大降低。但是需要指出的是，這種射頻帶通采樣軟件無線電結構對A/D工作帶寬的要求

19、（實際上是對A/D中采樣保持器的速度要求）仍然是比較高的。寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構與目前的中頻數(shù)字化接收機的結構是類似的，都采用了多次混頻體制或叫超外差體制，如圖1.4所示。這種寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構的主要特點是中頻帶寬更寬（例如20MHz），所有調(diào)制解調(diào)等功能全部由軟件加以實現(xiàn)。中頻帶寬是這種軟件無線電與普通超外差中頻數(shù)字化接收機的本質(zhì)區(qū)別。顯而易見，這種寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構是上述三種結構中最容易實現(xiàn)的，對器件的性能要求最低，但它離理想軟件無線電的要求最遠，可擴展性、靈活性也是最差的。圖1.4  軟件無線電的中頻數(shù)字化結構1.2軟件無線電中的調(diào)制解調(diào)技術1.

20、2.1 軟件無線電中的調(diào)制解調(diào)問題為了能夠進行無線傳輸以及達到多路復用、提高抗噪聲的目的, 在發(fā)射端需要用代表信息的基帶信號(模擬或數(shù)字的低通信號)去控制載波的參數(shù)變化, 這就是調(diào)制; 在接收端則需要從調(diào)制信號中恢復原來的基帶信號, 這就是解調(diào)。已經(jīng)有許多不同類型的調(diào)制方式可以適應不同的需要。在軟件無線電系統(tǒng)中, 調(diào)制和解調(diào)都是用程序來實現(xiàn)的(也稱為全數(shù)字化調(diào)制解調(diào))。要編寫出各種類型調(diào)制信號的調(diào)制解調(diào)軟件, 關鍵是確定信號處理算法?？梢岳?FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件)來實現(xiàn)需要的調(diào)制解調(diào)算法, 其計算速度比 DSP 更快, 但是靈活性及控制功能較差, 需要與 DSP 或單片機配合使用。建

21、立調(diào)制解調(diào)算法及程序的一條途徑是把模擬電路的工作原理軟件化2。比如要對 AM信號進行相干解調(diào), 或建立載波同步乘法器、低通濾波等軟件模塊的做法雖然可行, 但是計算量很大。實際上, 根據(jù)軟件無線電的特點, 可以建立與調(diào)制解調(diào)電路工作原理有所不同的調(diào)制解調(diào)算法。圖 1.5為 SDR 接收機中廣泛使用的數(shù)字正交解調(diào)方案。這是一個具有通用性的解調(diào)模型, 對不同方式的調(diào)制信號只需要設計相應的基帶解調(diào)算法。對于 AM 信號, 基帶解調(diào)算法為 A(n) =(I(n) +Q(n) ) 。對 LPF 的輸出進行數(shù)據(jù)抽取是因為基帶信號 I、Q 需要的采樣率遠低于對調(diào)制信號的采樣率。這種解調(diào)方案利用軟件中可以實現(xiàn)的

22、平方和開方運算而免去了復雜的載波同步過程,不僅減少了計算量, 也避免了因載波同步誤差而引起的解調(diào)誤差 (相位同步誤差和比較小的頻率同步誤差都不影響解調(diào)效果)。因為仍然是相干解調(diào), 所以這種解調(diào)方案具有良好的抗干擾性能。圖1.5  正交數(shù)字化解調(diào)器但是這種解調(diào)方法的計算量還是比較大的,因為對每一次采樣值都要分兩路進行乘法和階數(shù)較高的低通濾波。由于計算量大(或者說對計算速度要求高), 正交數(shù)字化解調(diào)目前也難以用價位合理的 DSP 來實現(xiàn), 于是就出現(xiàn)了數(shù)字下變頻器(DDC)這樣的專用芯片。DDC 通過載波跟蹤用數(shù)控振蕩器產(chǎn)生 Cos 和 Sin 數(shù)字序列, 分別與調(diào)制信號的采樣序列相乘,

23、 并完成低通濾波和數(shù)據(jù)抽取, 輸出 I、Q 信號供 DSP 進行位同步和碼元解調(diào)。由于 DDC 是電路實現(xiàn)的, 可以采用并行處理結構 (同時進行濾波所需要的多次乘法運算), 所以能夠解調(diào)計算量大的問題。目前已經(jīng)產(chǎn)品化的軟件無線電接收機, 在結構上大多是采用的是“中頻采樣數(shù)字下變頻器DSP 基帶解調(diào)”方案, DDC也就成了軟件無線電的關鍵技術之一。另一種解決方案就是零中頻解調(diào), 也稱為直接變換法, 即用與發(fā)射載波同頻率的模擬 Cos 和 Sin 信號分別與接收到的調(diào)制信號相乘, 經(jīng)過 LPF 輸出 I、Q 信號, 采樣后供 DSP 進行基帶解調(diào)。比如在基于雷達工作原理的第二代射頻身份識別系統(tǒng)(R

24、FID,需要接收和解調(diào)受到射頻 IC 卡控制的反射電磁波)中, 由于收、發(fā)是在同一個設備中, 可以把發(fā)射載波直接用于接收解調(diào), 就可以采用“直接變換法”解調(diào)方案。DDC 器件價格較高, 功耗大, 功能和結構缺乏靈活性, 直接變換法性能不及中頻解調(diào)方案, 所以, 如果研發(fā)出計算量小、解調(diào)質(zhì)量好,能夠用“中頻采樣DSP 軟件解調(diào)”方案實現(xiàn)的解調(diào)算法, 是很有意義的。1.2.2 正交調(diào)制原理為了采用統(tǒng)一的硬件結構來實現(xiàn)多種調(diào)制方式，我們必須尋求一種通用的解調(diào)方法，正交調(diào)制的理論很好地解決了這一問題。盡管調(diào)制樣式有多種多樣，但實質(zhì)上不外乎用調(diào)制信號去控制載波的一個或幾個參數(shù)，使這個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)

25、律而變化的過程。調(diào)制信號的數(shù)學表達式為：S（n）A（n）cos(n)n+(n)調(diào)制信號可以分別“寄生”在已調(diào)信號的振幅、頻率和相位中，相應的調(diào)制就是調(diào)幅、調(diào)頻及調(diào)相這三人調(diào)制方式。將上式改寫為：S(n)=A(n)cos n+(n)式中， 表示載波的角頻率。所以，   S(n)=A(n)cos（n）cos( n)- A(n)sin（n） sin( n)=X (n) cos( n)-X (n) sin( n)式中，  X (n)= A(n)cos（n）X (n)= A(n)sin（n）這就是我們所希望獲得的同相和正交兩個分量，由上式可以看出它們包含了信號的幅度和相位信

26、息，根據(jù)X (n)、X (n)，就可以對各種調(diào)制信號進行解調(diào)。通用調(diào)制算法如圖1.6所示。圖 1.6  數(shù)字正交調(diào)制通用模型現(xiàn)以MSK信號正交調(diào)制為例來說明，二進制頻移鍵控（MSK）信號：Smsk=cosn+2kTbn+k應用三角恒等式展開該式，并考慮到k±1，k0或，則可得：Smskn=coskcosn2Tbcosn-kcosksinn2Tbsinn  Ikcosn2Tbcosn+Qksinn2Tbsinn式中，  Ik=cosk ,  Qk= -kcosk 。DMSK（數(shù)字MSK）正交調(diào)制器實現(xiàn)框圖如圖1.7所示。圖1.7  數(shù)字

27、MSK正交調(diào)制框圖1.2.3  正交解調(diào)原理多種調(diào)制信號在理論上都可以通過正交解調(diào)算法實現(xiàn)解調(diào)3。正交解調(diào)必須首先實現(xiàn)正交分解，圖1.8示出了數(shù)字正交下變頻法實現(xiàn)正交分解的框圖。圖1.8  數(shù)字正交解調(diào)的通用模型經(jīng)過數(shù)字正交下變頻和低通濾波后形成I 、Q 兩路正交基帶信號，解調(diào)算法主要是用兩路正交信號計算出信號的幅度和相位。解調(diào)算法如下：調(diào)幅解調(diào)：A(n)I2n+Q2(n)                 

28、              (1.1)調(diào)相信號解調(diào)：n=tan-1Q(n)I(n)                                 (

29、1.2)調(diào)頻信號解調(diào)：f(n)=n=n-n-1                           (1.3)由式（1.2）和式（1.3）可見，對于調(diào)頻調(diào)相信號的解調(diào)算法需要求出瞬時相位n，即需做除法與反正切運算，這在硬件實現(xiàn)上比較困難，若用FPGA實現(xiàn)則要消耗很多門資源，故需尋找簡化算法。假設In和Qn為n時刻I路和Q路采樣值，In-1

30、和Qn-1為n1時刻I路和Q路采樣值，則：Dot(n)=InIn-1+QnQn-1cosncosn-1+sinnsinn-1cos(n-n-1)cos()和    cross（n）=InQn-1-QnIn-1=cosnsinn-1-sinncosn-1=sin(n-n-1)=sin()分別為前后兩個數(shù)據(jù)采樣點的相位差的正弦和余弦值，我們分別稱Dot（n）為點積，cross（n）為叉積。通過點積值或符號可判斷相差大小，可用于DPSK和DMSK的解調(diào)；通過叉積的值和符號可判斷頻差大小，可用于GMSK解調(diào)；通過點積與叉積符號可組合判決相差大小，從而對DQPSK、/4 D

31、QPSK、D8PSK等調(diào)制方式解調(diào)。點積與叉積只有和、差與乘法運算，用FPGA很容易實現(xiàn)。而且叉積所提取的頻差可直接用于載波跟蹤。1.3課題設計內(nèi)容數(shù)字化調(diào)制是指用軟件產(chǎn)生出調(diào)制信號的采樣序列，再通過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬的調(diào)制信號，數(shù)字化解調(diào)則是指對已調(diào)波信號進行A/D轉(zhuǎn)換，再通過數(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)對信號的解調(diào)。數(shù)字化調(diào)制、解調(diào)是軟件無線電技術（SDR）中的一個重要內(nèi)容。SDR主要依靠軟件來完成接收系統(tǒng)的各項功能，如智能天線、信號識別、調(diào)制解調(diào)等，其優(yōu)點在于可以使產(chǎn)品的硬件大大簡化，可靠性大大提高，便于生產(chǎn)和維護，可以通過更新軟件來實現(xiàn)產(chǎn)品的功能升級等。/4QDPSK信號相對一般的QPSK信號具有頻

32、譜更加集中，更有利于實現(xiàn)位同步的優(yōu)點。數(shù)字化調(diào)制的基本要求是產(chǎn)生性能好的調(diào)制信號波形，計算量小。本課題要求：（1）對SDR的基本概念進行研究，重點是數(shù)字化調(diào)制、解調(diào)技術。（2）設計一個基于離散傅立葉變換的2DPSK信號的數(shù)字化解調(diào)算法。（3）用MATLAB語言編程產(chǎn)生出具有典型性的2DPSK信號。（4）對2DPSK信號進行數(shù)字化解調(diào)。（5）對解調(diào)的誤碼率進行研究。第二章 幾種基于DFT的解調(diào)技術2.1 DFT的基本原理離散傅立葉變換（DFT）對于有限長序列是一種非常重要的數(shù)學變換。因為其實質(zhì)上是有限長序列傅立葉變換的有限點離散采樣，從而開辟了頻域離散化的道路，使數(shù)字信號處理論可以再頻域采用數(shù)字

33、運算的方法進行，這樣就大大增加了數(shù)字信號處理的靈活性。更重要的是DFT有多種快速算法，統(tǒng)稱為快速傅立葉變換（FFT），從而使信號的實時處理和設備的簡化得以實現(xiàn)。因此，時域離散系統(tǒng)的研究于應用在許多方面取代了傳統(tǒng)的連續(xù)時間系統(tǒng)。所以說，DFT不僅在理論上有重要意義，而且在各種信號的處理中亦起著核心作用。一般DFT被定義為：Xk=DFTxn=n=0N-1x(n)e-j2nk/N其中， k=0,1,2，N-1它的逆變換IDFT定義為：x(n)=IDFTX(k)=1Nk=0N-1X(k)ej2nk/N其中， n=0,1,2，N-1其中，e-jcos+jsin ?？梢宰C明，離散傅立葉變換的逆變換是唯一的

34、。DFT的快速算法FFT的出現(xiàn)，使DFT在數(shù)字通信、語音信號處理、圖象處理、功率譜估值、仿真、系統(tǒng)分析、雷達理論、光學、醫(yī)學、地震以及數(shù)值分析等各個領域都得到廣泛應用。2.2 AM信號解調(diào)2.2.1 解調(diào)方法文獻4中提出了一種基于DFT（離散傅立葉變換）的AM信號解調(diào)算法，要點是對低中頻AM信號進行整周期采樣（比如取采樣頻率為載波頻率的8倍），對每一個載波周期內(nèi)的采樣點（記為x1x8）進行DFT，計算出載波的幅值A(n)：I(n)=k=18xkcos(2k8)=0.707(x1-x3-x5+x7)-x8+x4Q(n)=k=18xksin(2k/8)=0.707(x1+x3-x5-x7)+x2-

35、x6A(n)=(I(n)2+Q(n)2)1/2顯然，去除直流成分后，A(n)序列便是需要的解調(diào)輸出。與一般的正交解調(diào)算法相比較, 由于省去了低通濾波和數(shù)據(jù)抽取過程, 對采樣數(shù)據(jù)基本上只做加減運算, 每 8 個采樣點才做一次平方、開方運算, 計算量大大降低, 為采用“中頻采樣DSP 解調(diào)”方案創(chuàng)造了條件。采用較低的采樣頻率( 比如每個載波周期采樣 4 個點) 也可以正常解調(diào), 當然較高的采樣頻率對抑制噪聲是有利的。2.2.2 解調(diào)失真度要正確的完成對AM信號的解調(diào)，必須考慮輸出的失真度，只有失真度限制在一定的范圍內(nèi)，才可能不失真的恢復原始調(diào)制信號（通常應小于0.1）。失真度的表達式如下式：DPx

36、Ps其中，Px表示諧波功率，Ps表示輸出信號功率。在不存在定時誤差的情況下，失真度很小，通過計算得出D3.4*10-7，可以完全忽略不計，改變調(diào)幅系數(shù)對解調(diào)輸出失真沒有明顯的影響。在存在定時誤差時，會對失真度有一定的影響。所謂定時誤差是指由于AM信號載波頻率偏離設計值（或接收端對載波頻率測量存在誤差）和采樣定時精度有限等原因，使得對AM信號在一個載波周期內(nèi)的平均采樣點數(shù)不是整數(shù)。若對AM信號每20個載波周期采159.5點（定時誤差大約為0.0031），得到失真度為D0.0081。每20個載波周期采159點，得到D=0.02.可見定時誤差會使失真度增大，但在通常的定時誤差條件下，失真度仍然是可以

37、忽略的。2.3 QDPSK信號數(shù)字化解調(diào)按照定義產(chǎn)生的PSK信號在碼元切換時會發(fā)生相位跳變，需要經(jīng)過限帶濾波后才能夠發(fā)射（或者先對基帶信號進行限帶濾波，再進行正交調(diào)制），在接收機的解調(diào)器之前也會對信號進行帶通濾波，所以實際接收到的PSK信號的碼元波形會分成兩種區(qū)域，碼元的中間部分是穩(wěn)定區(qū)，前、后部分位過渡區(qū)。穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的波形接近正弦波，過渡區(qū)內(nèi)的波形則不是正弦波，并且幅度明顯降低。因為信道噪聲在整個碼元內(nèi)是相同的，所以在過渡區(qū)內(nèi)信噪比很低。提出數(shù)字化解調(diào)方案應該考慮上述條件。為了表述方便，下面先以一個QDPSK信號為例來對解調(diào)方法進行說明，然后再就一般情況進行討論。設進入解調(diào)器的中頻QDPSK信

38、號一個碼元包含10個載波周期，中間5個周期為穩(wěn)定區(qū)，信號上疊加了高斯型噪聲，載波頻率已知（由收發(fā)雙方約定，或在接收機中利用某種方法測定），采樣頻率取為載波頻率的8倍，碼元數(shù)據(jù)與相位跳變的關系是：000,  10/2，  11，  013/22.3.1解調(diào)方法先假設已經(jīng)實現(xiàn)位同步，取碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的40個采樣值（計為x x ）進行DFT，求出5次諧波（即載波）譜值的實部I和虛部Q，再求出相位作為本碼元的相位，用本碼元相位減去前一碼元相位，便得到本碼元的相位跳變值T。有關的計算公式如下：I=k=140xkcos5*2k/40=140k=140xkcosk/4Q=140k

39、=140xksink/4                       (2.1)=tan-1|Q/I|當 I0,Q0 時    ；   當I0,Q<0時      -  ；當 I<0,Q<0時   +；  當 I<0

40、,Q0時    - ；           （2.2）碼元的相位跳變?yōu)椋篢b-a+d      （mod 2）                         （2.3）其中b是本

41、碼元相位，a是前一碼元相位，d是調(diào)整位同步點時的附加相位（見下段內(nèi)容）。從T到碼元解調(diào)數(shù)據(jù)的判決條件為:/4T-/4  判為 00；3/4T/4  判為015/4T3/4  判為 11；7/4T5/4  判為10         （2.4）2.3.2位同步方法：正交數(shù)字化解調(diào)是對基帶信號I、Q執(zhí)行位同步算法，而本方案是直接用QDPSK信號的采樣值進行位同步，其原理是：按載波周期（對應連續(xù)8個采樣值）進行DFT求出載波幅值A1，在碼元切換處A1將出現(xiàn)極小值，所以通過尋找A1的極

42、小值點，就可以實現(xiàn)位同步。初始位同步： 為了提高位同步的定位精度，每接受到4個采樣值就用最新的8個采樣值（記為x1x8）計算一次A1：I1=18k=18xkcosk/4;Q1=18k=18xksink/4;A1=I12+Q12                               

43、(2.5)對前后的A1值進行比較，就可以找出極小值點，如果該點的A1值也明顯小于A1的正常值，則該點就是一個碼元切換點（而不是由于干擾引起的）。繼續(xù)尋找下一個碼元切換點，如果前后兩個碼元切換點的距離（用采樣點數(shù)表示）近似等于80的整數(shù)倍，便認為位同步成功，可以開始進行碼元解調(diào)。否則就繼續(xù)尋找下一個碼元切換點。位同步維持：  對每一個碼元，在計算過碼元的相位后，便從該碼元的倒數(shù)第2個載波周期開始按（2.5）式計算A1值，并尋找碼元切換點，如果在4個載波周期內(nèi)沒有出現(xiàn)或者找到的碼元切換點與原來的位同步點相同，則位同步點不調(diào)整；否則，就要進行位同步點調(diào)整：如果找到的碼元切換點超前于現(xiàn)有的位

44、同步點，就把位同步點前移一個采樣點，如果找出的碼元切換點落后于現(xiàn)有的位同步點，就把位同步點后移一個采樣點。如果調(diào)整了位同步點，就需要在后一個碼元的相位跳變值上加上一個修正值d，見（2.3）式。位同步點后移時d/4，位同步點前移時d-/4 。2.3.3 QDPSK信號的數(shù)字化解調(diào)文獻5中提到了一種基于DFT的QDPSK信號解調(diào)算法。接收到的限帶 QDPSK 信號的碼元波形分為兩個區(qū)域, 中間部分是穩(wěn)定區(qū), 前、后部分為過渡區(qū)。信號波形在碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)基本上是正弦波, 在過渡區(qū)內(nèi)幅度明顯降低。設進入解調(diào)器的中頻QDPSK信號的一個碼元包含10個載波周期，中間7個周期為穩(wěn)定區(qū)，采樣頻率取為載波頻率的8

45、倍。解調(diào)方法：用碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的56個采樣值（記為x1x56）進行DFT，求出7次諧波（即載波）譜值的實部I和虛部Q，在求出本碼元的相位，用本碼元相位減去前一碼元相位，即得到本碼元的相位跳變值，進而可判決得到本碼元的數(shù)據(jù)。DFT部分的算式如下：I=156k=156xkcosk/4Q=156k=156xksink/4=tan-1 (I+j*Q)QDPSK信號解調(diào)的位同步可以利用DFT算法實現(xiàn)。按載波周期（連續(xù)8個采樣值）進行DFT求出載波幅值A1,因為在碼元切換出A1將出現(xiàn)極小值，所以通過在碼元過渡區(qū)內(nèi)尋找A1的極小值點就可以實現(xiàn)初始位同步及位同步維持。第三章2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)算法3.1 2

46、PSK及2DPSK信號原理6二進制移相鍵控（2PSK）方式是受鍵控的載波相位按基帶脈沖而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。設二進制符號及其基帶波形與以前假設的一樣，那么，2PSK信號的形式一般表示為：e0t=nang(t-nTs)cosct這就是說，在一碼元持續(xù)時間內(nèi)，當發(fā)送二進制符號0時，e0t取0相位；發(fā)送二進制符號1時，e0t取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應數(shù)字信息的相位鍵控，通常被稱為絕對移相方式。但我們看到，如果采用絕對移相方式，由于發(fā)送端是以某一個相位做基準的，因而在接收系統(tǒng)中也必須有這樣一個固定基準相位做參考。如果這個參考相位發(fā)生變化（0相位變?yōu)橄辔换蛘呦辔蛔兂?相位），則恢復的

47、數(shù)字信息就會發(fā)生0變?yōu)?或者1變?yōu)?，從而造成錯誤的恢復?？紤]到實際通信時參考基準相位的隨機跳變是可能的，而且在通信中不易被覺察，比如，由于某種突然的騷動，系統(tǒng)中的分頻器可能發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)移、鎖相環(huán)路的穩(wěn)定狀態(tài)也可能發(fā)生轉(zhuǎn)移等等。這樣，采用2PSK方式就會在接收端發(fā)生錯誤的恢復。這種現(xiàn)象，通常稱為2PSK方式的“倒”現(xiàn)象或者“反向工作”現(xiàn)象。為此，實際中一般不采用2PSK方式，而是采用一種所謂的相對（差分）移相（2DPSK）鍵控方式。2DPSK方式即是利用前后相鄰碼元的相對載波相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。例如，假設相位值用相位偏移表示（定義為本碼元初相與前一碼元初相之差），并設=0 

48、;                         數(shù)字信息“0”=                        數(shù)字信息“1”

49、則數(shù)字信息序列與2DPSK信號的碼元相位關系可舉例表示如下：數(shù)字信息：      0  0  1  1   1   0   0   1   0   12DPSK信號相位： 0  0  0    0         0   0  或者：    

50、;   0    0   0   0       02DPSK信號的波形與2PSK信號的波形不同，2DPSK信號的波形的同一相位并不對應相同的數(shù)字信息符號，而前后碼元相對相位的差才是唯一決定信息符號的因素。這說明，解調(diào)2DPSK信號時并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，則鑒別這個相位關系就可正確恢復數(shù)字信息，這就避免了2PSK方式的倒現(xiàn)象發(fā)生。二進制移相鍵控系統(tǒng)在抗噪聲性能以及信道頻帶利用率等方面比二進制FSK和OOK優(yōu)越，因而被廣泛應用于數(shù)字通信中。

51、考慮到2PSK方式有倒現(xiàn)象，故它的改進型2DPSK信號受到重視。目前，在話帶內(nèi)以中速傳輸數(shù)據(jù)時，2DPSK是CCITT建議選用的一種數(shù)字調(diào)制方式。3.2 基于DFT的2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)方法實際中接收到的2DPSK信號在經(jīng)過帶通濾波后，由于碼元跳變出的高頻分量被過濾掉，濾波后的 2DPSK 信號波形分為穩(wěn)定區(qū)和過渡區(qū), 碼元中間部分是穩(wěn)定區(qū), 前、后部分為過渡區(qū)7。穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的信號基本無損失, 波形近似為正弦波, 而過渡區(qū)內(nèi)的波形則不是正弦波, 并且幅度明顯降低。調(diào)制信息基本上只存在于碼元穩(wěn)定區(qū)。從上述分析出發(fā), 可以得到如圖 4.1 所示的基于 DFT 的數(shù)字解調(diào)方案。圖3.1 

52、  DFT解調(diào)算法框圖對每個碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的采樣點按照下面式子做DFT：I=1Nk=1Nxkcos2k/nQ=1Nk=1Nxksin2k/n其中, n 代表每個載波周期的采樣點個數(shù), N 代表做 DFT 時使用的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的采樣點個數(shù)（通常取多個載波整周期）。然后，提取出前后碼元的相位跳變信息T來進行解調(diào)判決：計算tan-1（Q/I）,并根據(jù)Q和I的正負情況確定的取值范圍。當 I0,Q0 時    ；   當I0,Q<0時      -  ；當 I<0,Q<0時

53、   +； 當 I<0,Q0時    - ；把本碼元的相位記為b，前一碼元的相位記為a，則Tb-a+d    （mod 2）                          （3.1）其中d是進行了位同步點調(diào)整時附加的相位。d±m*2/nm為位同步調(diào)整

54、時移動的采樣點個數(shù)，n為每個載波周期的采樣點個數(shù)。從T到碼元解調(diào)數(shù)據(jù)的判決條件為：2T2   判為 0；2T32    判為 1；圖3.2  2DPSK移相信號矢量圖可見，在每個碼元周期只需要計算一次相位值即本碼元的相位，然后相減得到跳變相位，就可以依據(jù)判決條件恢復原始數(shù)據(jù)，而不需要像文獻7中所提到的對每個碼元要隨著窗函數(shù)的移動多次計算譜值，因而大大減輕了計算量，非常適合于軟件無線電的數(shù)字化實時解調(diào)。3.3 解調(diào)中的位同步方法位同步是數(shù)字化解調(diào)中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。在本方案中，對采樣點按照載波周期做DFT提取幅度信息則可以建立起初

55、始位同步。其原理是：由于穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的信號基本無損失，而過渡區(qū)內(nèi)信號的幅度則明顯降低，如果按照載波周期對采樣值進行DFT，在碼元波形過渡區(qū)得到的載波幅值A1會比在碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)求得的A1值小，而且存在一個極小值，當該極小值小于給出的判決門限值時（防止噪聲引起的誤判），可確定為碼元的切換點。因此通過對A1值進行檢查就可以確定碼元切換點。在實際的通信中，為方便初始位同步的建立，可以發(fā)射一連串的1序列，以保證前后碼元存在相位的跳變，更有利于尋找碼元切換點。在初始位同步建立后，由于碼元定時誤差和噪聲干擾，位同步點可能有偏差，還必須進行調(diào)整。對每個碼元計算過相位后，在過渡區(qū)仍舊按載波周期計算A1值，并檢測幅值

56、極小點。沒有出現(xiàn)幅值極小點（表明前后碼元相位連續(xù)）或者找到的幅值極小點與原位同步點相同，則位同步點不調(diào)整；否則，根據(jù)本次計算出來的幅值極小點對已建立的位同步點進行調(diào)整，并根據(jù)調(diào)整結果對碼元的跳變值附加修正值d，且d的大小由公式（3.2）決定。d±m*2/n                            

57、;                 (3.2)其中，m為位同步調(diào)整時移動的采樣點個數(shù)，n為每個載波周期的采樣點個數(shù)。3.4 相關說明與討論（1）在進行碼元解調(diào)時也可以把靠近穩(wěn)定區(qū)的一些采樣值用于DFT計算（采樣值的數(shù)目仍需要與整數(shù)個載波周期相對應），以求進一步降低誤碼率，因為那里的信噪比也比較高。其實穩(wěn)定區(qū)和過渡區(qū)并無一個明確的分界點。（2）在進行位同步計算時，如果一個碼元包含的載波周期比較多（比如一個碼元包含50個載波周期），也可以每

58、n個采樣值（一般情況下，為了提高位同步定位精度，每接收到n/2個采樣值就用最新的n個采樣值計算一次A1）進行一次DFT，求出I1和Q1值。I1和Q1計算公式是：I1=1nk=1nxkcos2k/nQ11nk=1nxksin2k/n（3）在一般的舉例中我們會假設一個碼元周期剛好等于整數(shù)個載波周期，但是解調(diào)方法并不要求一定如此。比如一個碼元包含10.25個載波周期，將有82個采樣點（假設n=8），只要把碼元過渡區(qū)算為5.25個載波周期，仍然使用穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的N個采樣值來進行DFT計算就可以了（計算碼元相位跳變的公式需要做相應改變）。(4)在實際系統(tǒng)中不可避免會存在位同步誤差（確定的碼元起點與實際起點有

59、偏差），只使用碼元穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的采樣值進行解調(diào)計算，位同步誤差的影響也可以消除或減小。（5）一般情況下舉例時，采樣頻率是取為載波頻率8倍時候多，如果取為4、5或者9、10等整數(shù)，也可以實現(xiàn)解調(diào)（有關計算公式需做修改）。但是降低采樣頻率不利于抑制噪聲，會使誤碼率有所增大。選擇8或者4還可以減小計算量，比如為8時，則對碼元采樣點按照前面公式做DFT時，可求得：I=1Nk=1Nxkcos2k/n=140k=140xkcosk/40.025x1+x9+x17+x25+x33-x5-x13-x21-x29-x37+0.707(x2+x10+     

60、0;    x18+x26+x34-x4-x12-x20-x28-x36-x6-x14-x22-x30-x38+          x8+x16+x24+x32+x40)可以看出，幾乎只需要做加、減運算就可以了。另外，考慮到需要進行載波解調(diào)和位同步，在倍數(shù)為8時每個碼元采樣80點已經(jīng)是比較少的了。（6）如果存在采樣定時誤差（采樣頻率不等于載波頻率的整數(shù)倍），也會使誤碼率增大，但是不一定很嚴重。（7）本解調(diào)算法對于各種MDPSK以及/4QDPSK信號都是適用的，只要修改從碼元的

61、相位跳變值到調(diào)制數(shù)據(jù)的判決條件式就可以了，也可以推廣到MQAM（幅相聯(lián)合調(diào)制）信號的解調(diào)，因為通過DFT不僅可以求出碼元的相位及相位跳變，也可以求出碼元的載波幅值。圖3.3  采用中頻自動調(diào)整方案的SDR接收機結構（8）為了使采樣頻率為中頻的整數(shù)倍，可以采用如下的電路方案：按照設定的采樣頻率進行采樣，在解調(diào)程序中去檢查在碼元穩(wěn)定區(qū)中的40個采樣點是否剛好對應5個載波周期，如果有偏差，再去控制變頻器的本振（VCO）頻率，使中頻向正確的方向改變。相應的軟件接收機結構如圖3.3所示：第四章  2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)的仿真研究4.1 仿真軟件工具的選擇在目前工程界使用的各種仿真工

62、具中，MATLAB是應用最廣泛，也是使用最簡便的一個，相比于其他各種仿真工具，它具有很多獨特的優(yōu)點。因此，本次設計中的算法仿真我們選用MATLAB作為仿真工具。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）之意。除去本身卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學工程那個中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C語言、FORTRAN等語言完成相同簡捷得多。當前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包（Toolbox）。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能性工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構造新的專用工具包。一種語言之所以能如此迅速的普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點，正如同F(xiàn)ORTRAN和C等