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(yīng)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(fù)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(shè)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(shè)計中嘗試將所需要支持的多種不同的設(shè)備集成在一個結(jié)構(gòu)里，由硬件模塊完成在不同設(shè)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(shè)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(fù)用以降低成本。可編程數(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(biāo)準(zhǔn)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)?？梢哉f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(wù)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?？梢耘c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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)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(shè)備更好的性能指標(biāo)。
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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)、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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(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(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(wù)，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(shè)計和電磁兼容問題的處理是比較困難的。當(dāng)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(wù)全由DSP軟件承擔(dān)。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(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)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(shè)計相應(yīng)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(fù)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(shè)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(xué)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(yīng)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(yīng)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