摘 要：提出了一種通用數(shù)字DS/D-MPSK調(diào)制和解擴(kuò)解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)方案。該方案采用了成型濾波、直接數(shù)字合成(DDS)、正交調(diào)制、數(shù)字匹配濾波和延時(shí)差分解調(diào)等技術(shù)，直接在中頻上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，不需要進(jìn)行數(shù)字下變頻，也不需要進(jìn)行偽隨機(jī)碼同步捕獲和載波提取，簡(jiǎn)單易行，具有一定的新意和較高的實(shí)用價(jià)值。本方案已經(jīng)應(yīng)用于某軍用超短波電臺(tái)中，驗(yàn)證了方案的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：DS/D-MPSK;DDS;數(shù)字匹配濾波器;延時(shí)差分解調(diào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0507103

FPGA Realization of DS/D-MPSK Modem of Wireless Radio

TAN Jin，CHEN Yong，ZHA Guangming

(University of Electronic Science Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：A realization scheme for universal digital DS/D-MPSK modem is presented，which adopts several advanced technique such as Root-raised cosine filter，direct digital frequency synthesis，quadrature modulation，digital matched filter and delay difference demodulation.It processes the signal directly on middle frequency，and doesn′t need digital down conversion，PN code synchronization and carrier recovery.This scheme has been used in a military ultrashort wave radio and obtained a good effect.

Keywords：DS/D-MPSK;DDS;digital matched filter;delay difference demodulation

1 引 言

DS/D-MPSK(直接序列擴(kuò)頻、差分編碼的多進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制方式具有頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)、保密性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究DS/D-MPSK的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)就具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

DS/D-MPSK的調(diào)制和解擴(kuò)解調(diào)通常是用專用集成芯片(ASIC)來(lái)完成，但是其功能單一，應(yīng)用不靈活。文中采用高速大容量FPGA作為硬件平臺(tái)的核心部分，通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)解調(diào)。與常規(guī)方法不同的是，該方案直接在中頻上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，不要進(jìn)行數(shù)字下變頻，也不需要進(jìn)行偽碼同步捕獲和載波提取，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還給出了各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)，并對(duì)所提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真以及硬件實(shí)現(xiàn)。

2 DS/D-MPSK調(diào)制和解擴(kuò)解調(diào)的原理

通用的DS/D-MPSK調(diào)制和解擴(kuò)解調(diào)的原理框圖如圖1所示。其中，上方為調(diào)制部分，下方為解擴(kuò)和解調(diào)部分。ADC之后和DAC之前的功能全部由一片F(xiàn)PGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。

調(diào)制部分主要完成差分編碼、擴(kuò)頻、數(shù)據(jù)分路及相位映射、整型濾波、內(nèi)插濾波和正交調(diào)制等功能。其中，NCO(數(shù)控振蕩器)直接進(jìn)行數(shù)字頻率合成，產(chǎn)生I，Q兩路正交數(shù)字載波。FPGA產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換和帶通濾波，即可得到DS/D-MPSK調(diào)制信號(hào)。

解擴(kuò)和解調(diào)部分主要完成AD采樣、成型濾波、匹配濾波、延時(shí)差分解調(diào)以及判決等功能。解擴(kuò)和解調(diào)是擴(kuò)頻通信的核心技術(shù)之一，也是本文研究的重點(diǎn)。各種進(jìn)制的DS/D-MPSK解擴(kuò)和解調(diào)的基本原理相同，DS/D-BPSK相當(dāng)于DS/D-QPSK的一路，DS/D-8PSK僅比DS/D-QPSK多了一路能量控制信號(hào)。所以本文就以最有代表性的DS/D-QPSK為例進(jìn)行討論。

設(shè)DS/D-QPSK的基帶數(shù)據(jù)為｛an｝，差分編碼后的數(shù)據(jù)為｛dn｝。若用‘+1’表示‘1’，‘-1’表示‘0’，則有：

設(shè)I，Q兩路偽碼為｛cn｝和｛c′n｝，長(zhǎng)度均為N，碼速率為Rc，碼片寬度為T(mén)c。發(fā)端的中頻載波頻率ωc取偽碼速率的M倍(M為正整數(shù))，即為MRc。接收機(jī)接收到的DS/D-QPSK信號(hào)表達(dá)式為：

式中，[ ]表示向下取整運(yùn)算，mod表示求模運(yùn)算。

然后直接在中頻進(jìn)行帶通采樣，采樣頻率取偽碼速率的K倍(K為正整數(shù))，即為KRc。這樣在每個(gè)偽碼碼元內(nèi)剛好進(jìn)行了K次采樣，從而可以保證收端的偽碼時(shí)鐘與發(fā)端的偽碼時(shí)鐘相位相差為任意值時(shí)，總能采到滿足數(shù)字匹配濾波器輸入信噪比要求的碼片樣值。這樣偽碼時(shí)鐘可以由本地異步產(chǎn)生，省去了偽碼同步時(shí)鐘恢復(fù)電路，并大大提高了電路的穩(wěn)定性。

由于AD采樣的相位是隨機(jī)的，所以可以在采樣信號(hào)中增加一個(gè)初始相位φi。由于采樣速率ωs和中頻ωc均為偽碼速率的整數(shù)倍，所以每隔K次采樣φi就重復(fù)一次，即φi有K種取值，且φi依次滯后2πM/K。采樣數(shù)據(jù)的表達(dá)式為：

將AD采樣得到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字匹配濾波器進(jìn)行解擴(kuò)。數(shù)字匹配濾波器的I路結(jié)構(gòu)如圖2所示，Q路的結(jié)構(gòu)完全相同。現(xiàn)僅以I路為例進(jìn)行分析。

由于I，Q兩路偽碼的互相關(guān)性很小，所以式(5)中第二項(xiàng)的值很小，相對(duì)于第一項(xiàng)的相關(guān)峰值來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。當(dāng)n為N的倍數(shù)時(shí)，第一項(xiàng)剛好相關(guān)，得到的相關(guān)峰值為:

式(6)中，RI(0)為I路偽隨機(jī)碼的自相關(guān)值。由式(6)可見(jiàn)，相關(guān)峰中已不再包含偽碼，即實(shí)現(xiàn)了解擴(kuò)。圖3是用Verilog代碼在FPGA中實(shí)現(xiàn)數(shù)字匹配濾波器時(shí)經(jīng)仿真得到的相關(guān)峰。

將數(shù)字匹配濾波器輸出的相關(guān)峰延時(shí)一個(gè)基帶數(shù)據(jù)的碼元寬度，即NTC之后，與當(dāng)前相關(guān)值峰相乘得:

由此可見(jiàn)，延時(shí)相乘剛好實(shí)現(xiàn)了解調(diào)和解差分。圖4是Verilog代碼仿真得到的延時(shí)差分解調(diào)后的相關(guān)峰，負(fù)相關(guān)峰表示‘1’，正相關(guān)峰表示‘0’。

為了提高抗干擾能力，可以把I，Q兩路的相關(guān)值累加求和后再進(jìn)行判決。經(jīng)過(guò)判決，就可以恢復(fù)出基帶數(shù)據(jù)和時(shí)鐘。

3 DS/D-MPSK通用數(shù)字調(diào)制和解擴(kuò)解調(diào)器的具體實(shí)現(xiàn)方案

本方案已經(jīng)應(yīng)用于某軍用數(shù)字超短波電臺(tái)中，其具體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

其中，F(xiàn)PGA選用的是Xilinx公司的XC2VP20，200萬(wàn)門(mén)的高端產(chǎn)品，標(biāo)稱頻率為400 MHz。NCO的時(shí)鐘頻率較高，達(dá)到160 ~ 240 MHz。DSP選用的是TI公司的TMS320VC5510，F(xiàn)LASH選用的是Spansion公司的S29GL128N，16 MB的容量，存放DS/D-BPSK，DS/D-QPSK和DS/D-8PSK等多種模式的FPGA配置文件。CPLD選用的是Xilinx公司的XC9572XL。DSP主要完成對(duì)FLASH的讀寫(xiě)工作，并且根據(jù)模式切換信號(hào)，配合CPLD完成對(duì)FPGA的動(dòng)態(tài)配置。

4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

圖6是在中頻20-48 MHz上通過(guò)Agilent 89600矢量信號(hào)分析儀測(cè)到的DS/D-QPSK信號(hào)的星座圖、眼圖、頻譜圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其頻差為1-8 Hz，相差為876毫度，I，Q平衡度為-20 dB。圖7是中頻為21-76 MHz的DS/D-8PSK信號(hào)混頻到280 MHz經(jīng)聲表面波濾波器后測(cè)到的星座圖、眼圖、頻譜圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其頻差為-0-75 Hz，相差為3°，I，Q平衡度為-21 dB。

5 結(jié) 語(yǔ)

從以上的測(cè)試結(jié)果可以看出，本文提出的DS/D-MPSK

通用數(shù)字調(diào)制和解擴(kuò)解調(diào)器在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，證明了本方案是正確的、可行的和穩(wěn)定可靠的。

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作者簡(jiǎn)介

譚 進(jìn) 碩士研究生，電子科技大學(xué)，微電子專業(yè)。研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、軟件無(wú)線電。

陳 勇 副教授，電子科技大學(xué)微固學(xué)院。研究方向?yàn)樾滦图呻娐芳捌骷?/p>

查光明 教授，電子科技大學(xué)通信學(xué)院。研究方向?yàn)樘?擴(kuò)頻通信、移動(dòng)通信、軟件無(wú)線電。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>