1、學 號:3042003116 中國人民解放軍體育學院畢 業 論 文軟件無線電中QPSK調制解調的 算法與仿真THE REALIZE OF ALGORITHM AND EMULATION ABOUT MODULATOR AND DEMODULATOR ON QPSK IN SOFTWARE DEFINED READIO 姓 名 鐘 穎 浩 專 業 通 信 工 程 指導教員 王 進 2006年12 月15 日軟件無線電中QPSK調制解調的算法與仿真摘 要：軟件無線電是一種全新的無線電通信體系結構，其基本思想是把硬件作為無線通信的基本平臺，而把盡可能多的無線通信功能用軟件來實現。隨著半導體和微電子技

2、術的發展，在中頻完成全數字化解調已成為可能。本文就是對70 MHz的中頻QPSK 信號進行直接帶通采樣，然后送入已寫入載波同步算法和定時同步算法的FPGA中，從而完成對QPSK信號的全數字化解調，由于采用了可動態配置的FPGA來實現QPSK信號的解調，因此只需通過軟件對其參數進行適當的設置，就可以完成對多種數據傳輸率、多種中頻載波的QPSK信號的解調。關鍵詞：軟件無線電，QPSK解調，載波同步，定時同步，數字鎖相環，MATLAB仿真THE REALIZE OF ALGORITHM AND EMULATION ABOUT MODULATOR AND DEMODULATOR ON QPSK IN

3、SOFTWARE DEFINED READIOAbstract：Software defined radio is a kind of new wireless communication system structure，the main principle was using the hardware as a basic platform of wireless communication，implement function of the wireless communication using software. In the paper，direct band pass sampl

4、ing was used to QPSK signal with 70 MHz IF，and complete demodulation with FPGA which has carrier recovery and timing synchronization algorithms，using reconfigurable device. You can demodulate multi-rate & multi-IF-Carrier after you change some parameter properly. Keywords：QPSK demodulation，carrier r

5、ecovery，timing synchronization，DPLL，MATLAB simulinkKey words：software defined radio，QPSK demodulation，carrier recovery，timing synchronization，DPLL，MATLAB simulink目 錄1 前言42 軟件無線電421 軟件無線電的種類422軟件無線電的概念523 軟件無線電的特點53 數字鎖相環的特性與結構64 QPSK載波恢復環的實現641鑒相誤差的提取742 鑒相增益的計算743 環路濾波器的參數設置85QPSK定時同步實現96 Matlab仿真及

6、全數字QPSK解調器在FPGA中實現107 結論121 引言在衛星數字通信系統中，由于星上發射機功率受限，通常采用抗干擾能力較強的PSK數字調制方式，QPSK調制便是其中應用最為廣泛的數字調制方式之一。按照信號檢測理論，對QPSK 調制信號的平均誤碼率最小的最佳接收方式為采用鎖相環路的相干接收方式。QPSK調制信號是抑制載波的信號，無法用常規的鎖相環或窄帶濾波器直接提取參考載波，但它又不同于一些連續相位調制信號，其載波相位變化只能取有限的幾個離散值，這就隱含了參考載波的相位信息，所以，可以通過非線性處理，消除信號中的調制信息，產生與原載波相位有一定關系的分量，然后再提純該信號，恢復已被抑制的載

7、波信號，進而完成信號的相干解調。目前，常用的QPSK載波恢復方法有：平方環法，鎖相環法，反調制環法。在本文中，作者采用的是數字鎖相環法，它具有實現簡單、可靠、載波恢復算法簡單等優點。全數字QPSK解調器的核心問題在于對載波和定時的同步，其性能的好壞將直接對通信質量產生影響，因此所有的設計都是圍繞這兩個同步來進行的，本解調系統中的兩個同步都是采用反饋方式的鎖相環來完成的。針對載波同步用的是COSTAS數字鎖相環，而在定時同步中采用的是基于米勒- 穆勒定時誤差提取算法的數字鎖相環，兩種方法分別通過提取載波相位誤差和定時同步誤差，并分別用于控制各自的數控振蕩器，從而得到與發射端相干的載波和定時同步時

8、鐘。文章最后，給出了載波和定時的同步的仿真結果及具體的實現方法。2 軟件無線電2.1 軟件無線電的種類無線通信在現代通信中占據著極其重要的位置，幾乎任何領域都使用無線通信，包括有商業、氣象、金融、軍事、工業、民用等。我們可從通信系統、調制方式、多址方式等幾方面可看到無線通信系統種類的繁多。類 別種 類通信系統衛星通信系統、蜂窩移動通信系統、無線尋呼系統、短波通信系統、微波通信系統等調制方式AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM等多址方式時分多址（TDMA）、頻分多址（ FDMA）和碼分多址（CDMA）等各種通信系統由于自身的特點而適用于各種特定的場合，例如

9、：短波電臺適合遠距離，其所需的發射功率不大，傳輸的“中繼系統”電離層不會被摧毀；衛星通信能傳播高質量的信息，所能提供的頻帶很寬。微波通信抗干擾能力強，適合大量的數據傳輸，但只能在點與點之間傳輸，傳輸距離又有一定的限制。由于無線通信的設備簡單、便于攜帶、易于操作、架設方便等特點，在軍事和民用通信領域中都是不可缺的重要通信手段。然而，電臺往往是根據某種特定的用途而設計的，功能單一，有些電臺的基本結構相似，而信號特征差異很大。比如，工作的頻段不同，調制方式不同，波形結構不同，通信協議不同，數字信息的編碼方式、加密方式不同等等。電臺之間的這些差異極大地限制了不同電臺之間的互通互連。軟件無線電決定性的步

10、驟，是將A/D（和D/A）變換器盡量向射頻端靠攏。應用寬帶天線或多頻段天線，并將整個中頻頻段作A/D變換，這之后整個的處理都用可編程數字器件特別是軟件來實現。我們可看出，這樣一個體系結構具有非常大的通用性，對解決上面提到的問題有很大的潛力，可用來實現多頻段、多調制方式和多址方式，構成多體制的通用無線通信系統。2.2 軟件無線電的概念所謂軟件無線電，其關鍵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，各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等，用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉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。可以說這種

11、電臺是可用軟件控制和再定義的電臺，選用不同軟件模塊就可以實現不同的功能，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更新模塊和升級換代。由于軟件無線電的各種功能是用軟件實現的，如果要實現新的業務或調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制波形和通信協議，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，也節約了成本開支。2.3 軟件無線電的特點（1）具有很強的靈活性。軟件無線電可以通過增加軟件模塊，很容易地增加新的功能。它可以與其它任何電臺進行通信，并可以作為其它電臺的射頻中繼。可以通過無線加載來改變軟件模塊或更新軟件。為了減少開支，可以根據所需功能的強弱

12、，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，還能與舊式體制電臺相兼容。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。3 數字鎖相環的特性與結構在相干解調技術中，要求在接收端提供一個參考載波，此載波應與信號載波同頻同相。從接收信號中提取相干載波有兩種方法，一種是在發送信號的同時輔助傳送一個載波信號，稱為插入導頻法；另一種方法是直接從已調信號中提取，稱為直接法。相移鍵控信號和抑制載波的雙邊帶信號等，在其信號中并不含載頻分

13、量，用普通的鎖相環無法提取，要設計特殊的鎖相環路，即所謂抑制載波跟蹤環路，才能完成從中提取相干載波的功能。本解調器采用鎖相環方式，它具有3方面優越特性：載波跟蹤特性，即鎖相環路對輸入信號的相位變化而言，可等效為一個窄帶濾波器，不但能有效地利用窄帶特性來濾除噪聲與干擾，而且環路輸出能跟蹤輸入信號的載波變化，從已調的輸入信號中提取出純凈的載波；調制跟蹤特性，適當設計環路可使輸入信號調制頻譜落在環路的通頻帶內，環路輸出頻率和相位能夠準確地跟蹤輸入信號的頻率與相位的調制變化；低門限特性，鎖相環路不像一般的非線性器件那樣，門限取決于輸入載噪比，而是由環路信噪比決定，一般環路通頻帶總比環路輸入端的前置通頻

14、帶窄得多，較高的環路信噪比可取得低門限特性，這樣，將環路設計成窄帶特性，就可以把淹沒在噪聲中的微弱信號提取出來，將環路用于解調調頻、調相信號時，可取得門限擴展效果，并使其誤碼率降低。全數字鎖相環由數字鑒相器、數字環路濾波器和數控振蕩器3 部分構成，其中鑒相器用于提取鎖相環的輸入與輸出信號之間的相位誤差信號，環路濾波器則對相位誤差信號進行平滑濾波，之后用于控制數控振蕩器產生相應的輸出。4 QPSK載波恢復環的實現本文采用的科斯塔斯環（COSTAS）是載波抑制環路的一種重要形式，科斯塔斯環去除了在載波頻率分量上難以實現的平方電路，而用一個乘法器和相對簡單的低通濾波器代替，具有原理簡單易于實現的特點

15、。QPSK信號的頻譜中不包含有載頻及其倍頻分量，不能直接利用載波跟蹤環來提取載波，必須運用非線性變換將QPSK 信號中的載波信息變換成載波分量，再用載波跟蹤環來提取出來，作相干解調載波使用，具體方法如下。4.1 鑒相誤差的提取在高斯加性白噪聲的信道中，數字化后的QPSK中頻信號可以表示為：I(k)=a(k)cos(ck+0)-b(k)sin(ck+0)+nI(k)Q(k)=b(k)cos(ck+0)+a(k)sin(ck+0)+nQ(k) (1) 其中：k = 0，1，2，c為中頻載波頻率；0為接收端載波的初始相位；a（k），b（k）為發送的碼元信號，（a（k），b（k）21，1；nI（k），

16、nQ（k）分別為同相和正交支路的噪聲。假定數控振蕩器所產生的相干載波為cos（ck+），為鎖相環對載波相位的估計，若暫不考慮（1）式中的噪聲項，則經過數字下變頻和匹配濾波器后，有：I（k）=a（k）cos（）+b（k）sin（）Q（k）=b（k）cos（）-a（k）sin（） （2）I（k），Q（k）分別為接收端恢復的兩路同相和正交數字基帶信號，=0-為調制載波與相干載波的相位差，由上式可以看出I（k），Q（k）兩路數字基帶信號中包含有相位誤差信息，科斯塔斯環的鑒相器通過下式便可得到相位誤差e（k）：e（k）=I（k）sign（Q（k）-Q（k）sign（I（k）（3）其鑒相特性如下：e（k）

17、=- 2sin - -3/42cos - 3/4 -/42sin -/4/4-2cos /43/4-2sin 3/4 （4）4. 2 鑒相增益的計算當載波同步上以后，較小，（31），此時有：I（k）=a（k）+b（k）Q（k）=b（k）-a（k） （5）此時下式成立：Sign(I(k)=signa(k)sign（Q（k）=signb(k）將其代入（3）式，得：e（k）=I（k）signb（k）- Q（k）signa（k） （6）又因為（a（k），b（k）21，1，所以將4種情況分別代入（6）式，得： e（k）= 2此時，鑒相增益kp=2。4. 3 環路濾波器的參數設置在所有的參數設置當中，有關

18、環路濾波器的參數設置極為關鍵，在本方案中所采用的是二階環路濾波器，即比例積分型濾波器，其傳遞函數為： F（s）= k1+k2/sk1，k2的選取決定了鎖相環路等效噪聲帶寬BN的大小，而BN又決定了整個鎖相環的鎖定時間和跟蹤精度。鎖定時間分析：鎖相環路在正常工作時，環路首先進行頻率鎖定，然后進行相位鎖定，因此環路鎖定時間TLOCK約等于頻率鎖定時間TFL與TPL相位鎖定時間之和：TLOCKTFL + TPL （6）其中，頻偏為f 的頻率鎖定時間為：TFL4 （f）2/BN3 （7）而相位鎖定時間為：TPL1.3/BN （8）將（7）、（8）兩式代入（6）式，得：TLOCK4 （f）2/BN3/

19、1.3/BN （9）采用二階環路濾波器的鎖相環的捕獲帶寬為：B(221/2) BN4 B6BN （10）由（9）、（10）兩式（為鎖相環路的阻尼系數）可以看出，鎖相環路的鎖定時間與等效噪聲帶寬BN成反比，捕獲帶寬與BN成正比。跟蹤精度分析：在鎖相環路中，相位跟蹤性能是用相位的方差來定義的，相位方差e2=E|-|，在線性鎖相環中，與功率為Pin的輸入信號共同進入鎖相環路的還有功率譜密度為N0/2W/Hz的高斯加性白噪聲，此時的相位方差 e22e=N0Bn/Pin，因為鎖相環的輸入噪聲功率等于N0Bn，而Pin/N0Bn是鎖相環的環路信噪比，因此，在高斯加性白噪聲信道的線性鎖相環中，跟蹤相位誤差的

20、方差與環路輸入信噪比成反比。由此，等效噪聲帶寬BN越寬，則環路的捕獲霎時間的越少，但與此同時環路的跟蹤誤差也越大，因此，既要環路快速捕獲，同時又想讓環路的跟蹤誤差小，是不可能的，在實際應用中，只能根據系統的要求以及信號的信噪比進行適當的折中。在本方案中，設計要求可捕獲的最大頻偏為250kHz，在滿足此條件的情況下，盡量使環路的跟蹤誤差降到最小，即對環路濾波器系數k1、k2進行適當的選取，盡可能降低相位方差。環路濾波器系數k1，k2的計算設計時，首先確定BN，N，然后將其代入下式：n = BNTs/（N（+1/4） （11）其中Ts為碼元時間（間隔）；為鎖相環路的阻尼系數，通常情況下取1，在本仿

21、真中其取值為0.707；N為每個符號的采樣點數。計算出n后，將它代入（12）、（13）式，即可得到k1，k2的值。在二階數字鎖相環路中，有：k0kpk1=4n/（1+2n +n2） （12）k0kpk2=4n2/（1 + 2n +n2n） （13）BN為鎖相環路的等效噪聲帶寬；kp為鑒相增益；k0為數控振蕩器增益。5 QPSK定時同步實現數字信號的定時同步提取是數字通信中的關鍵環節之一，在本QPSK解調器中，首先建立了載波與副載波的同步，進行相干解調，獲得數字基帶信號，然后建立定時同步以確定每一個數字碼元的起止時刻，使之能對數字信息做出正確的判決。由于在接收到的數字基帶信號中含有定時同步信號的

22、信息，這樣通過對數字基帶信號的適當運算，提取出定時誤差，并將此誤差用于控制數控振蕩器，就可恢復出發射端的定時信號，這種通過用鎖相環路直接從接收的數字基帶信號中提取定時同步信號的技術與平方環相比，無論從經濟性、可靠性、抗擾度等方面來看都更加有效。定時同步的首要問題在于定時誤差的提取，目前常用的3種方法為：早遲門算法、Gardner算法和米勒-穆勒算法，其中，Gardner算法要求每個符號至少有兩個采樣點，只有它在進行定時同步提取時對載波相位不敏感，因而得以廣泛使用；早遲門算法要求每個符號不少于3個采樣點，這就使其無法適應高速率的數據傳輸任務；米勒-穆勒算法在計算定時誤差時所要求的采樣點最少，每個

23、符號只需要1個采樣即可，但它對載波相位敏感，所以要求在定時同步前必須完成載波同步。本方案先獨立完成載波同步，然后再進行定時同步，所以在進行定時同步時就采用了效率最高的米勒-穆勒算法，它是一種基于判決的定時誤差提取算法，定時誤差的計算方法為：e（k）= x（k）a（k-1）-x（k-1）a（k） （13）其中x（k）為當前碼元；x（k-1）為前一碼元；a（k）為當前碼元的判決值；a（k-1）為對前一碼元的判決。定時誤差經定時同步環的環路濾波器后，對定時同步環的數控振蕩器輸出的定時同步信號進行頻率和相位調整，從而恢復出發射端的定時信號。在定時同步環當中，除了定時誤差提取模塊外，環路濾波器以及數控振

24、蕩器的結構與科斯塔斯載波恢復環中的完全一致。6 MatIab仿真及全數字QPSK解調器在FPGA中的實現在載波同步和定時同步算法確定后，使用MATLAB的SIMULINK對全數字QPSK解調器進行了仿真，仿真模塊框圖如圖1所示。根據實際使用情況，參數的選取如下：中頻為70 MHz，數據速率為1 Mbps，AD采樣速率為40.96 Msps，對中頻QPSK信號采樣后，其載波頻率被搬移到11.92 MHz，因此此時所要恢復的載波頻率為11.92 MHz，最大捕獲頻偏為250kHz。在確定各項指標后，經計算得到載波恢復環的k1取13124，k2取78.7，圖4是在將QPSK 信號載波頻率設置為70.

25、1 MHz時，即載波頻率偏移為100 kHz時，載波鎖相環的仿真結果，從圖4（a）可知載波鎖相環經過大約7個碼元時間處獲得了載波的同步，此后的鑒相器輸出的相位誤差在零值上波動，圖4（b）和圖4（c）分別是數字下變頻經升余弦濾波器后的同相和正交的數字基帶信號，從圖上可以直觀地看出，載波鎖定后，I，Q兩路數字基帶信號波形輸出正常，仿真結果表明，此鎖相環路的最大捕獲帶寬為260 kHz。圖1 QPSK 解調器仿真模塊框圖圖5為在加了100 kHz載波頻偏后，定時同步環的K1取10937，K2取21.8時，定時同步的仿真結果。圖1（a）表明在載波未鎖定時，定時同步也無法鎖定，但幾乎在載波同步鎖定的同時

26、，定時同步也得到鎖定，之后定時誤差也穩定在零附近，圖5（b）和圖5（c）分別為同相數字基帶信號和用定時同步時鐘對它進行采樣后的輸出。圖4 QPSK 解調器載波同步仿真波形 圖5 QPSK 解調器定時同步仿真波形本仿真所用的匹配濾波器是升余弦濾波器，它用于對數字下變頻后的基帶信號進行匹配濾波，它能夠在一定程度上消除碼間串擾，由于它的低通特性，同時也能夠濾除帶外噪聲和基帶信號的諧波分量。在具體的硬件實現中，采用了AD6644對已經過抗混疊濾波的中頻QPSK信號進行帶通采樣，采樣速率固定為40.96 Msps，采樣后的數據直接輸入到Xilinx的XC2V1000的FPGA中進行全數字化的載波同步和定時同步，完成QPSK的解調。在由仿真結構到FPGA的實現過程中，由于受到硬件資源的限制，在FPGA只能進行定點數運算，因此要對仿真的參數動態范圍進行一定的限制，將其轉換為定點數表示形式。此外，在具體模塊實現過程中，可以使用System Generator提供的IP核，如：在進行數字下變頻時，要進行大量的乘法運算，這些運算可以采用FPGA中的專用乘法器來實現，而在數控振蕩器實現的過程中，應使用查找表結構，從而避開正、余弦函數的運算，提高運算速度和效率。本