2DPSK信號數(shù)字化解調(diào)技術(shù)研究

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(guān)注，應用也越來越廣泛。軟件無線電技術(shù)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(jié)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(guān)鍵詞： 軟件無線電， DFT， 2DPSK，數(shù)字化解調(diào)， MATLAB
ABSTRACT

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（SDR－software 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(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)，簡單地修改電臺參數(shù)，重構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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)。可以說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。可以與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ㄟ^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(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(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(lǐng)域的廣泛關(guān)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(lǐng)域例如電子戰(zhàn)、雷達、信息化家電等領(lǐng)域得到推廣，這將極大促進軟件無線電技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)（集成電路）的迅速發(fā)展。
1.1.3 軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

圖1.1 軟件無線電結(jié)構(gòu)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1MHz～2GHz，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(shù)。
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(shù)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(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。
軟件無線電的結(jié)構(gòu)基本可以分為3種：射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

射頻低通采樣數(shù)字化的軟件無線電，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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1MHz～1GHz的軟件無線電接收機，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，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(jié)構(gòu)可以較好的解決上述射頻低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

這種射頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)與低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對A/D工作帶寬的要求（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(jié)構(gòu)與目前的中頻數(shù)字化接收機的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是上述三種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

1.2軟件無線電中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)
1.2.1 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(guān)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, 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(jié)構(gòu) (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(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)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)(RFID,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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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)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[ω(n)n+θ(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[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(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：
S_msk 〖=cos〗(ωn+π/2 α_k/T_b n+Φ_k )
應用三角恒等式展開該式，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(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MSK正交調(diào)制框圖