2DPSK信號數字化解調技術(shù)研究

摘 要

軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR）自從1992年被正式提出以來(lái)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注，應用也越來(lái)越廣泛。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)一個(gè)很重要的內容就是信號的數字化調制與解調。本文首先闡述了SDR的概況，然后介紹了幾種信號的數字化解調算法。并且提出了一種在軟件無(wú)線(xiàn)電中基于離散傅立葉變換（DFT）算法的二進(jìn)制相對相移鍵控（2DPSK）信號的數字化解調算法，通過(guò)對載波周期內的采樣值進(jìn)行DFT來(lái)提取相位信息并恢復原始調制信號。用MATLAB對這個(gè)算法進(jìn)行了仿真研究的結果表明：采用該方法可以正確的實(shí)現2DPSK信號的解調，與傳統的解調方法相比,不僅解調過(guò)程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，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信號方式的數字化接收機設計中具有實(shí)際的意義。

關(guān)鍵詞： 軟件無(wú)線(xiàn)電， DFT， 2DPSK，數字化解調， MATLAB
ABSTRACT

第一章 緒論
1.1軟件無(wú)線(xiàn)電概述
1.1.1軟件無(wú)線(xiàn)電的基本概念及由來(lái)
軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR－software definded radio）是指在無(wú)線(xiàn)電系統中用軟件
處理的方式來(lái)實(shí)現智能天線(xiàn)、調制解調等功能，其突出特點(diǎn)是使產(chǎn)品的生產(chǎn)和維
護簡(jiǎn)化，可靠性提高，能兼容多種信號方式，可通過(guò)更新軟件來(lái)升級系統功能等。
通信裝備從傳統電臺發(fā)展到軟件無(wú)線(xiàn)電，中間有一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程。最開(kāi)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(gè)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，系統的體積和重量會(huì )隨著(zhù)要支持的設備種類(lèi)增加而增加，顯然，這種做法難以解決多少問(wèn)題。
為了避免系統體積無(wú)限增大，隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，出現了可編程數字無(wú)線(xiàn)電，開(kāi)始嘗試硬件模塊復用以降低成本?？删幊虜底譄o(wú)線(xiàn)電可以進(jìn)行部分重構，簡(jiǎn)單地修改電臺參數，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(zhù)越來(lái)越多的基本功能改由軟件完成，系統的靈活性日益增強。另外，器件技術(shù)的進(jìn)步驅使模擬/數字接口逐漸靠近天線(xiàn)，可以由軟件實(shí)現更多的功能，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(wú)線(xiàn)電。
1992年5月，MILTRE公司的Jeo Mitola首次明確提出了軟件無(wú)線(xiàn)電（soft radio）的概念。其中心思想是：構造一個(gè)具有開(kāi)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、調制解調類(lèi)型、數據格式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成，并使寬帶A/D（模擬/數字）和D/A（數字/模擬）轉換器盡可能靠近天線(xiàn)，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線(xiàn)通信系統?？梢哉f(shuō)這種電臺是可用軟件控制和再定義的電臺。選用不同的軟件模塊就可以實(shí)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升級換代。由于軟件無(wú)線(xiàn)電的各種功能是用軟件實(shí)現的，如果要實(shí)現新的業(yè)務(wù)或調制方式只要增加一個(gè)新的軟件模塊即可。同時(shí)，由于它能形成各種調制波形和通信協(xié)議，故還可以與舊體制的各種電臺通信，大大延長(cháng)了電臺的使用周期，也節約了開(kāi)支。有些人也把軟件無(wú)線(xiàn)電稱(chēng)為”超級計算機”。
1.1.2 軟件無(wú)線(xiàn)電的主要特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)
軟件無(wú)線(xiàn)電的主要特點(diǎn)可以歸納如下:
（1）具有很強的靈活性 軟件無(wú)線(xiàn)電可以通過(guò)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(jìn)行通信，并可以作為其他電臺的射頻中繼?？梢酝ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)加載來(lái)改變軟件模塊或更新模塊。為了減少開(kāi)支，可以根據所需功能的強弱，取舍選用的軟件模塊。
（2）具有較強的開(kāi)放性 軟件無(wú)線(xiàn)電由于采用了標準化、模塊化的結構，其硬件可以隨著(zhù)器件和技術(shù)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(wú)線(xiàn)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(cháng)了舊體制電臺的使用壽命，也保證了軟件無(wú)線(xiàn)電本身有很長(cháng)的生命周期。
軟件無(wú)線(xiàn)電的主要優(yōu)點(diǎn)有:
(1)簡(jiǎn)少了通信設備的硬件電路, 使系統的可靠性大大提高, 生產(chǎn)和維護因此變得十分簡(jiǎn)單;
(2)可以通過(guò)更新軟件來(lái)實(shí)現系統功能和性能指標的升級;
(3)可以以很低的代價(jià)來(lái)擴展系統的功能, 達成對多種信號體制兼容的工作能力;
(4)通過(guò)改進(jìn)數字信號處理算法, 可以獲得比基于電路的傳統通信設備更好的性能指標。
軟件無(wú)線(xiàn)電這一新概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。由于軟件無(wú)線(xiàn)電所具有的靈活性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，使其不僅在軍、民無(wú)線(xiàn)通信中獲得應用，而且將在其他領(lǐng)域例如電子戰、雷達、信息化家電等領(lǐng)域得到推廣，這將極大促進(jìn)軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)（集成電路）的迅速發(fā)展。
1.1.3 軟件無(wú)線(xiàn)電的基本結構
軟件無(wú)線(xiàn)電的基本思想[1]是以一個(gè)通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通
過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(lái)。功能的軟件化實(shí)現勢必要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節，把數字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線(xiàn)。軟件無(wú)線(xiàn)電強調體系結構的開(kāi)放性和全面可編程性，通過(guò)軟件的更新改變硬件的配置結構，實(shí)現新的功能。軟件無(wú)線(xiàn)電采用標準的、高性能的開(kāi)放式總線(xiàn)結構，以利于硬件模塊的不斷升級和擴展。理想軟件無(wú)線(xiàn)電的組成結構如圖1.1所示。

圖1.1 軟件無(wú)線(xiàn)電結構框圖

軟件無(wú)線(xiàn)電主要有天線(xiàn)、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉換器、通用和專(zhuān)用數字信號處理器以及各種軟件組成。軟件無(wú)線(xiàn)電的天線(xiàn)一般要覆蓋比較寬的頻段，例如1MHz～2GHz，要求每個(gè)頻段的特性均勻，以滿(mǎn)足各種業(yè)務(wù)的需求。例如，在軍事通信中，可能需要VHF/UHF的視距通信、UHF衛星通信，HF通信作為備用通信方式。為便于實(shí)現，可在全頻段甚至每個(gè)頻段使用幾付天線(xiàn)，并采用智能化天線(xiàn)技術(shù)。
射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù)，接受時(shí)實(shí)現濾波、放大、下變頻等功能。在射頻變換部分，寬帶、線(xiàn)性、高效射頻放大器的設計和電磁兼容問(wèn)題的處理是比較困難的。當然，如果采用射頻直接數字化方式，射頻前端的功能可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，但對數字處理的要求提高。要實(shí)現射頻直接帶通采樣，要求A/D轉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轉換位數，以提高動(dòng)態(tài)范圍。目前8位A/D轉換器的工作帶寬已做到1.5GHz以上。
模擬信號進(jìn)行數字化后的處理任務(wù)全由DSP軟件承擔。為了減輕通用DSP的處理壓力，通常把A/D轉換器傳來(lái)的數字信號，經(jīng)過(guò)專(zhuān)用數字信號處理器件（如數字下變頻器DDC）處理，降低數據流速率，并把信號變至基帶后，再把數據送給通用DSP進(jìn)行處理。通用DSP主要完成各種數據率相對較低的基帶信號的處理，例如信號的調制解調，各種抗干擾、抗衰落、自適應均衡算法的實(shí)現等，還要完成經(jīng)信源編碼后的前向糾錯（FEC）、幀調整、比特填充和鏈路加密等算法。由于DSP技術(shù)和器件的發(fā)展，高速、超高速的數字信號處理器不斷涌現，如TMS320C6X,ADSP21160等，DSP已能基本滿(mǎn)足軟件無(wú)線(xiàn)電的技術(shù)需求。如果采用多芯片并行處理的方法，其處理能力還將大大提高。
軟件無(wú)線(xiàn)電的結構基本可以分為3種：射頻低通采樣數字化結構、射頻帶通采樣數字化結構和寬帶中頻帶通采樣數字化結構，如圖1.2～圖1.4所示。
圖1.2 射頻低通采樣數字化的理想軟件無(wú)線(xiàn)電結構

射頻低通采樣數字化的軟件無(wú)線(xiàn)電，其結構簡(jiǎn)單，把模擬電路的數量減少到最低程度，如圖1.2所示。從天線(xiàn)進(jìn)來(lái)的信號經(jīng)過(guò)濾波放大后就由A/D進(jìn)行采樣數字化，這種結構不僅對A/D轉換器的性能如轉換速率、工作帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等提出了非常高的要求，同時(shí)對后續DSP或ASIC(專(zhuān)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1MHz～1GHz的軟件無(wú)線(xiàn)電接收機，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(shuō)，后續的數字信號處理器也是難以滿(mǎn)足要求的。圖1.3所示的射頻帶通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結構可以較好的解決上述射頻低通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結構對A/D轉換器、高速DSP等要求過(guò)高，以至無(wú)法實(shí)現的問(wèn)題。

圖1.3 射頻帶通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結構

這種射頻帶通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結構與低通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結構的主要不同點(diǎn)是，A/D前采用了帶寬相對較窄的電調濾波器，然后根據所需的處理帶寬進(jìn)行帶通采樣。這樣對A/D采樣速率的要求就不高了，對后續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(wú)線(xiàn)電結構對A/D工作帶寬的要求（實(shí)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(wú)線(xiàn)電結構與目前的中頻數字化接收機的結構是類(lèi)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(wú)線(xiàn)電結構的主要特點(diǎn)是中頻帶寬更寬（例如20MHz），所有調制解調等功能全部由軟件加以實(shí)現。中頻帶寬是這種軟件無(wú)線(xiàn)電與普通超外差中頻數字化接收機的本質(zhì)區別。顯而易見(jiàn)，這種寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結構是上述三種結構中最容易實(shí)現的，對器件的性能要求最低，但它離理想軟件無(wú)線(xiàn)電的要求最遠，可擴展性、靈活性也是最差的。
圖1.4 軟件無(wú)線(xiàn)電的中頻數字化結構

1.2軟件無(wú)線(xiàn)電中的調制解調技術(shù)
1.2.1 軟件無(wú)線(xiàn)電中的調制解調問(wèn)題
為了能夠進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(模擬或數字的低通信號)去控制載波的參數變化, 這就是調制; 在接收端則需要從調制信號中恢復原來(lái)的基帶信號, 這就是解調。已經(jīng)有許多不同類(lèi)型的調制方式可以適應不同的需要。
在軟件無(wú)線(xiàn)電系統中, 調制和解調都是用程序來(lái)實(shí)現的(也稱(chēng)為全數字化調制解調)。要編寫(xiě)出各種類(lèi)型調制信號的調制解調軟件, 關(guān)鍵是確定信號處理算法?？梢岳?FPGA(現場(chǎng)可編程邏輯器件)來(lái)實(shí)現需要的調制解調算法, 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。
建立調制解調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(jìn)行相干解調, 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(shí)際上, 根據軟件無(wú)線(xiàn)電的特點(diǎn), 可以建立與調制解調電路工作原理有所不同的調制解調算法。
圖 1.5為 SDR 接收機中廣泛使用的數字正交解調方案。這是一個(gè)具有通用性的解調模型, 對不同方式的調制信號只需要設計相應的基帶解調算法。對于 AM 信號, 基帶解調算法為 A(n) =(I(n) +Q(n) ) 。對 LPF 的輸出進(jìn)行數據抽取是因為基帶信號 I、Q 需要的采樣率遠低于對調制信號的采樣率。這種解調方案利用軟件中可以實(shí)現的平方和開(kāi)方運算而免去了復雜的載波同步過(guò)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效果)。因為仍然是相干解調, 所以這種解調方案具有良好的抗干擾性能。
圖1.5 正交數字化解調器

但是這種解調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(jìn)行乘法和階數較高的低通濾波。由于計算量大(或者說(shuō)對計算速度要求高), 正交數字化解調目前也難以用價(jià)位合理的 DSP 來(lái)實(shí)現, 于是就出現了數字下變頻器(DDC)這樣的專(zhuān)用芯片。DDC 通過(guò)載波跟蹤用數控振蕩器產(chǎn)生 Cos 和 Sin 數字序列, 分別與調制信號的采樣序列相乘, 并完成低通濾波和數據抽取, 輸出 I、Q 信號供 DSP 進(jìn)行位同步和碼元解調。由于 DDC 是電路實(shí)現的, 可以采用并行處理結構 (同時(shí)進(jìn)行濾波所需要的多次乘法運算), 所以能夠解調計算量大的問(wèn)題。目前已經(jīng)產(chǎn)品化的軟件無(wú)線(xiàn)電接收機, 在結構上大多是采用的是”中頻采樣→數字下變頻器→DSP 基帶解調”方案, DDC也就成了軟件無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)之一。另一種解決方案就是零中頻解調, 也稱(chēng)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制信號相乘, 經(jīng)過(guò) LPF 輸出 I、Q 信號, 采樣后供 DSP 進(jìn)行基帶解調。比如在基于雷達工作原理的第二代射頻身份識別系統(RFID,需要接收和解調受到射頻 IC 卡控制的反射電磁波)中, 由于收、發(fā)是在同一個(gè)設備中, 可以把發(fā)射載波直接用于接收解調, 就可以采用”直接變換法”解調方案。DDC 器件價(jià)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方案, 所以, 如果研發(fā)出計算量小、解調質(zhì)量好,能夠用”中頻采樣-DSP 軟件解調”方案實(shí)現的解調算法, 是很有意義的。
1.2.2 正交調制原理
為了采用統一的硬件結構來(lái)實(shí)現多種調制方式，我們必須尋求一種通用的解調方法，正交調制的理論很好地解決了這一問(wèn)題。盡管調制樣式有多種多樣，但實(shí)質(zhì)上不外乎用調制信號去控制載波的一個(gè)或幾個(gè)參數，使這個(gè)參數按照調制信號的規律而變化的過(guò)程。調制信號的數學(xué)表達式為：
S（n）＝A（n）cos[ω(n)n+θ(n)]
調制信號可以分別”寄生”在已調信號的振幅、頻率和相位中，相應的調制就是調幅、調頻及調相這三人調制方式。
將上式改寫(xiě)為：
S(n)=A(n)cos[ω n+Φ(n)]
式中， ω 表示載波的角頻率。
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）]
這就是我們所希望獲得的同相和正交兩個(gè)分量，由上式可以看出它們包含了信號的幅度和相位信息，根據X (n)、X (n)，，就可以對各種調制信號進(jìn)行解調。通用調制算法如圖1.6所示。

圖 1.6 數字正交調制通用模型
現以MSK信號正交調制為例來(lái)說(shuō)明，二進(jìn)制頻移鍵控（MSK）信號：
S_msk 〖=cos〗(ωn+π/2 α_k/T_b n+Φ_k )
應用三角恒等式展開(kāi)該式，并考慮到α_k＝±1，Ф_k＝0或π，則可得：
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（數字MSK）正交調制器實(shí)現框圖如圖1.7所示。

圖1.7 數字MSK正交調制框圖