新闻中心

EEPW首页 > 手机与无线通信 > 设计应用 > 2DPSK信号数字化解调技术研究

2DPSK信号数字化解调技术研究

作者:时间:2011-03-29来源:网络收藏

摘 要

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/156515.htm

软件无线电(SDR)自从1992年被正式提出以来,受到了越来越多的关注,应用也越来越广泛。软件无线电一个很重要的内容就是调制与。本文首先阐述了SDR的概况,然后介绍了几种算法。并且提出了一种在软件无线电中基于离散傅立叶变换(DFT)算法的二进制相对相移键控(算法,通过对载波周期内的采样值进行DFT来提取相位信息并恢复原始调制信号。用MATLAB对这个算法进行了仿真的结果表明:采用该方法可以正确的实现信号的解调,与传统的解调方法相比,不仅解调过程简单,易于实现,计算量小,而且抗干扰性能得到了明显的改善。将该方法用于信号方式的数字化接收机设计中具有实际的意义。

关键词: 软件无线电, DFT, 2DPSK,数字化解调, MATLAB
ABSTRACT

第一章 绪论
1.1软件无线电概述
1.1.1软件无线电的基本概念及由来
软件无线电(SDR-software definded radio)是指在无线电系统中用软件
处理的方式来实现智能天线、调制解调等功能,其突出特点是使产品的生产和维
护简化,可靠性提高,能兼容多种信号方式,可通过更新软件来升级系统功能等。
通信装备从传统电台发展到软件无线电,中间有一个从量变到质变的过程。最开始人们在设计中尝试将所需要支持的多种不同的设备集成在一个结构里,由硬件模块完成在不同设备之间的切换。如果使用这种方法,系统的体积和重量会随着要支持的设备种类增加而增加,显然,这种做法难以解决多少问题。
为了避免系统体积无限增大,随着数字信号处理的发展,出现了可编程数字无线电,开始尝试硬件模块复用以降低成本。可编程数字无线电可以进行部分重构,简单地修改电台参数,重构功能主要集中在基带处理部分,比如选择前向纠错编码的方式等。电台功能,尤其是发射和接收操作,依然主要由硬件控制,限制了电台向多频段多功能发展的能力。
随着越来越多的基本功能改由软件完成,系统的灵活性日益增强。另外,器件的进步驱使模拟/数字接口逐渐靠近天线,可以由软件实现更多的功能,模拟电路对射频特性的影响不断降低。由此逐渐产生一种全新的体系结构,诞生出软件无线电。
1992年5月,MILTRE公司的Jeo Mitola首次明确提出了软件无线电(soft radio)的概念。其中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D(模拟/数字)和D/A(数字/模拟)转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用软件控制和再定义的电台。选用不同的软件模块就可以实现不同的功能,而且软件可以升级更新,其硬件也可以像计算机一样不断地升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的,如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。同时,由于它能形成各种调制波形和通信协议,故还可以与旧体制的各种电台通信,大大延长了电台的使用周期,也节约了开支。有些人也把软件无线电称为”超级计算机”。
1.1.2 软件无线电的主要特点及优点
软件无线电的主要特点可以归纳如下:
(1)具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块,很容易增加新的功能。可以与其他任何电台进行通信,并可以作为其他电台的射频中继。可以通过无线加载来改变软件模块或更新模块。为了减少开支,可以根据所需功能的强弱,取舍选用的软件模块。
(2)具有较强的开放性 软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构,其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展,软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信,还能和旧体制电台兼容。这样,既延长了旧体制电台的使用寿命,也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。
软件无线电的主要优点有:
(1)简少了通信设备的硬件电路, 使系统的可靠性大大提高, 生产和维护因此变得十分简单;
(2)可以通过更新软件来实现系统功能和性能指标的升级;
(3)可以以很低的代价来扩展系统的功能, 达成对多种信号体制兼容的工作能力;
(4)通过改进数字信号处理算法, 可以获得比基于电路的传统通信设备更好的性能指标。
软件无线电这一新概念一经提出,就得到了全世界无线电领域的广泛关注。由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点,使其不仅在军、民无线通信中获得应用,而且将在其他领域例如电子战、雷达、信息化家电等领域得到推广,这将极大促进软件无线电技术及其相关产业(集成电路)的迅速发展。
1.1.3 软件无线电的基本结构
软件无线电的基本思想[1]是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通
过软件编程来实现无线电台的各种功能,从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路,尤其是减少模拟环节,把数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性,通过软件的更新改变硬件的配置结构,实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构,以利于硬件模块的不断升级和扩展。理想软件无线电的组成结构如图1.1所示。

图1.1 软件无线电结构框图

软件无线电主要有天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段,例如1MHz~2GHz,要求每个频段的特性均匀,以满足各种业务的需求。例如,在军事通信中,可能需要VHF/UHF的视距通信、UHF卫星通信,HF通信作为备用通信方式。为便于实现,可在全频段甚至每个频段使用几付天线,并采用智能化天线技术。
射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务,接受时实现滤波、放大、下变频等功能。在射频变换部分,宽带、线性、高效射频放大器的设计和电磁兼容问题的处理是比较困难的。当然,如果采用射频直接数字化方式,射频前端的功能可以进一步简化,但对数字处理的要求提高。要实现射频直接带通采样,要求A/D转换器有足够的工作带宽(2GHz以上),较高的采样速率(一般在60MHz以上),而且要有较高的A/D转换位数,以提高动态范围。目前8位A/D转换器的工作带宽已做到1.5GHz以上。
模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP软件承担。为了减轻通用DSP的处理压力,通常把A/D转换器传来的数字信号,经过专用数字信号处理器件(如数字下变频器DDC)处理,降低数据流速率,并把信号变至基带后,再把数据送给通用DSP进行处理。通用DSP主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理,例如信号的调制解调,各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等,还要完成经信源编码后的前向纠错(FEC)、帧调整、比特填充和链路加密等算法。由于DSP技术和器件的发展,高速、超高速的数字信号处理器不断涌现,如TMS320C6X,ADSP21160等,DSP已能基本满足软件无线电的技术需求。如果采用多芯片并行处理的方法,其处理能力还将大大提高。
软件无线电的结构基本可以分为3种:射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构,如图1.2~图1.4所示。
图1.2 射频低通采样数字化的理想软件无线电结构

射频低通采样数字化的软件无线电,其结构简单,把模拟电路的数量减少到最低程度,如图1.2所示。从天线进来的信号经过滤波放大后就由A/D进行采样数字化,这种结构不仅对A/D转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非常高的要求,同时对后续DSP或ASIC(专用集成电路)的处理速度要求也特别的高,因为射频低通采样所需的采样速率至少是射频工作带宽的2倍。例如,工作在1MHz~1GHz的软件无线电接收机,其采样速率至少需要2GHz,这样高的采样率,A/D能否达到暂且不说,后续的数字信号处理器也是难以满足要求的。图1.3所示的射频带通采样软件无线电结构可以较好的解决上述射频低通采样软件无线电结构对A/D转换器、高速DSP等要求过高,以至无法实现的问题。

图1.3 射频带通采样软件无线电结构

这种射频带通采样软件无线电结构与低通采样软件无线电结构的主要不同点是,A/D前采用了带宽相对较窄的电调滤波器,然后根据所需的处理带宽进行带通采样。这样对A/D采样速率的要求就不高了,对后续DSP的处理速度也可以随之大大降低。但是需要指出的是,这种射频带通采样软件无线电结构对A/D工作带宽的要求(实际上是对A/D中采样保持器的速度要求)仍然是比较高的。
宽带中频带通采样软件无线电结构与目前的中频数字化接收机的结构是类似的,都采用了多次混频体制或叫超外差体制,如图1.4所示。这种宽带中频带通采样软件无线电结构的主要特点是中频带宽更宽(例如20MHz),所有调制解调等功能全部由软件加以实现。中频带宽是这种软件无线电与普通超外差中频数字化接收机的本质区别。显而易见,这种宽带中频带通采样软件无线电结构是上述三种结构中最容易实现的,对器件的性能要求最低,但它离理想软件无线电的要求最远,可扩展性、灵活性也是最差的。
图1.4 软件无线电的中频数字化结构

1.2软件无线电中的调制解调技术
1.2.1 软件无线电中的调制解调问题
为了能够进行无线传输以及达到多路复用、提高抗噪声的目的, 在发射端需要用代表信息的基带信号(模拟或数字的低通信号)去控制载波的参数变化, 这就是调制; 在接收端则需要从调制信号中恢复原来的基带信号, 这就是解调。已经有许多不同类型的调制方式可以适应不同的需要。
在软件无线电系统中, 调制和解调都是用程序来实现的(也称为全数字化调制解调)。要编写出各种类型调制信号的调制解调软件, 关键是确定信号处理算法。可以利用 FPGA(现场可编程逻辑器件)来实现需要的调制解调算法, 其计算速度比 DSP 更快, 但是灵活性及控制功能较差, 需要与 DSP 或单片机配合使用。
建立调制解调算法及程序的一条途径是把模拟电路的工作原理软件化[2]。比如要对 AM信号进行相干解调, 或建立载波同步乘法器、低通滤波等软件模块的做法虽然可行, 但是计算量很大。实际上, 根据软件无线电的特点, 可以建立与调制解调电路工作原理有所不同的调制解调算法。
图 1.5为 SDR 接收机中广泛使用的数字正交解调方案。这是一个具有通用性的解调模型, 对不同方式的调制信号只需要设计相应的基带解调算法。对于 AM 信号, 基带解调算法为 A(n) =(I(n) +Q(n) ) 。对 LPF 的输出进行数据抽取是因为基带信号 I、Q 需要的采样率远低于对调制信号的采样率。这种解调方案利用软件中可以实现的平方和开方运算而免去了复杂的载波同步过程,不仅减少了计算量, 也避免了因载波同步误差而引起的解调误差 (相位同步误差和比较小的频率同步误差都不影响解调效果)。因为仍然是相干解调, 所以这种解调方案具有良好的抗干扰性能。
图1.5 正交数字化解调器

但是这种解调方法的计算量还是比较大的,因为对每一次采样值都要分两路进行乘法和阶数较高的低通滤波。由于计算量大(或者说对计算速度要求高), 正交数字化解调目前也难以用价位合理的 DSP 来实现, 于是就出现了数字下变频器(DDC)这样的专用芯片。DDC 通过载波跟踪用数控振荡器产生 Cos 和 Sin 数字序列, 分别与调制信号的采样序列相乘, 并完成低通滤波和数据抽取, 输出 I、Q 信号供 DSP 进行位同步和码元解调。由于 DDC 是电路实现的, 可以采用并行处理结构 (同时进行滤波所需要的多次乘法运算), 所以能够解调计算量大的问题。目前已经产品化的软件无线电接收机, 在结构上大多是采用的是”中频采样→数字下变频器→DSP 基带解调”方案, DDC也就成了软件无线电的关键技术之一。另一种解决方案就是零中频解调, 也称为直接变换法, 即用与发射载波同频率的模拟 Cos 和 Sin 信号分别与接收到的调制信号相乘, 经过 LPF 输出 I、Q 信号, 采样后供 DSP 进行基带解调。比如在基于雷达工作原理的第二代射频身份识别系统(RFID,需要接收和解调受到射频 IC 卡控制的反射电磁波)中, 由于收、发是在同一个设备中, 可以把发射载波直接用于接收解调, 就可以采用”直接变换法”解调方案。DDC 器件价格较高, 功耗大, 功能和结构缺乏灵活性, 直接变换法性能不及中频解调方案, 所以, 如果研发出计算量小、解调质量好,能够用”中频采样-DSP 软件解调”方案实现的解调算法, 是很有意义的。
1.2.2 正交调制原理
为了采用统一的硬件结构来实现多种调制方式,我们必须寻求一种通用的解调方法,正交调制的理论很好地解决了这一问题。尽管调制样式有多种多样,但实质上不外乎用调制信号去控制载波的一个或几个参数,使这个参数按照调制信号的规律而变化的过程。调制信号的数学表达式为:
S(n)=A(n)cos[ω(n)n+θ(n)]
调制信号可以分别”寄生”在已调信号的振幅、频率和相位中,相应的调制就是调幅、调频及调相这三人调制方式。
将上式改写为:
S(n)=A(n)cos[ω n+Φ(n)]
式中, ω 表示载波的角频率。
所以, S(n)=A(n)cos[Φ(n)]cos(ω n)
- A(n)sin[Φ(n)] sin(ω n)
=X (n) cos(ω n)-X (n) sin(ω n)
式中, X (n)= A(n)cos[Φ(n)]
X (n)= A(n)sin[Φ(n)]
这就是我们所希望获得的同相和正交两个分量,由上式可以看出它们包含了信号的幅度和相位信息,根据X (n)、X (n),,就可以对各种调制信号进行解调。通用调制算法如图1.6所示。

图 1.6 数字正交调制通用模型
现以MSK信号正交调制为例来说明,二进制频移键控(MSK)信号:
S_msk 〖=cos〗(ωn+π/2 α_k/T_b n+Φ_k )
应用三角恒等式展开该式,并考虑到α_k=±1,Ф_k=0或π,则可得:
S_msk (n)=cos〖Ф_k 〗 cos〖πn/(2T_b )〗 cosωn
-α_k cos〖Ф_k 〗 sin〖πn/(2T_b ) sinωn 〗
=〖 I〗_k cos〖πn/(2T_b )〗 cosωn+Q_k sin〖πn/(2T_b ) sinωn 〗
式中,〖 I〗_k=cos〖Ф_k 〗 , Q_k= -α_k cos〖Ф_k 〗 。
DMSK(数字MSK)正交调制器实现框图如图1.7所示。

图1.7 数字MSK正交调制框图

模拟信号相关文章:什么是模拟信号



上一页 1 2 3 4 下一页

评论


相关推荐

技术专区

关闭