基于通用化平臺(tái)的多模解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)

吳毅杰 程慶林

（上海航天電子技術(shù)研究所 上海 201109）

基于通用化平臺(tái)的多模解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)

吳毅杰 程慶林

（上海航天電子技術(shù)研究所 上海 201109）

針對(duì)未來(lái)空間飛行器通信設(shè)備之間通信質(zhì)量和靈活性越來(lái)越高的要求，對(duì)多功能、高可靠、自適應(yīng)全數(shù)字化接收機(jī)的需求更加迫切；本文結(jié)合軟件無(wú)線電（SDR）技術(shù)分析了PSK（Phase-Shift Keying）信號(hào)的解調(diào)模型及其算法特點(diǎn)；研究發(fā)現(xiàn)：可基于通用的硬件平臺(tái)通過(guò)上位機(jī)軟件下發(fā)指令完成兩種模式的解調(diào)器之間的無(wú)縫切換；本文結(jié)合Matlab、ISE、Modelsim等EDA工具，在自主開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并完成了相關(guān)性能指標(biāo)的測(cè)試。

通用平臺(tái)；多模式；數(shù)字解調(diào)器；FPGA

引言

解調(diào)器是數(shù)字化接收機(jī)中的最為關(guān)鍵的信號(hào)處理模塊。現(xiàn)代無(wú)線通信中，相移鍵控（Phase-Shift Keying，PSK）調(diào)制方式由于其恒定的包絡(luò)、在給定信號(hào)電平中有最低誤碼率、高效率等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在軍事和商業(yè)通信系統(tǒng)中，目前最廣泛采用的PSK調(diào)制方式主要有：BPSK、OQPSK、QPSK等。其中BPSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)最為容易，在我國(guó)第二代移動(dòng)通信的窄帶CDMA（IS-95）系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。QPSK調(diào)制方式相對(duì)BPSK調(diào)制擁有更高的頻帶利用率；相對(duì)于OQPSK調(diào)制，它又較易于實(shí)現(xiàn)，被應(yīng)用到絕大多數(shù)高速數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)中，如美國(guó)NASA的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）、日本地球資源衛(wèi)星（JERS）以及我國(guó)的資源1號(hào)衛(wèi)星，都采用QPSK調(diào)制方式。本文通過(guò)分析兩種PSK信號(hào)的解調(diào)模型的特點(diǎn)，在同一硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一種雙模解調(diào)器，并最終應(yīng)用到載人航天飛行器的空空通信機(jī)、空空通信地面測(cè)試設(shè)備和探月工程測(cè)試設(shè)備中。

1 PSK解調(diào)算法

1.1 解調(diào)模型

解調(diào)器基本結(jié)構(gòu)主要包括：中頻采A/D、數(shù)字下變頻模塊、基帶時(shí)鐘恢復(fù)模塊、差分解碼模塊、外部時(shí)鐘和外圍參數(shù)設(shè)置模塊構(gòu)成。

1.2 鑒相算法

經(jīng)典的Costas環(huán)的中的鑒相器是乘法器，該環(huán)路被廣泛應(yīng)用在各種數(shù)字通信解調(diào)接收系統(tǒng)中。但是經(jīng)典Costas環(huán)只能解調(diào)BPSK信號(hào)和UQPSK信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)QPSK解調(diào)就必須考慮使用其他的環(huán)路。

1.3 數(shù)字下變頻器

下變頻器主要由三個(gè)部分組成：本地振蕩器，數(shù)字混頻器，低通濾波器。

NCO的原理和結(jié)構(gòu)與直接數(shù)字頻率合成的原理相同，NCO也是從相位概念觸發(fā)直接合成所需的正/余弦波形將采樣頻率fclk均分為2N份，輸出頻率是頻率分辨率的s倍，s是頻率控制字（Frequency Control Word，F(xiàn)CW），則：

數(shù)字混頻器其實(shí)就是一個(gè)乘法器，低通濾波器濾除二次倍頻分量。

1.4 環(huán)路濾波器

環(huán)路濾波器有很多類(lèi)型，包括RC濾波器、無(wú)源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器。

2 Simulink仿真

2.1 載波恢復(fù)環(huán)路建模

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，每一個(gè)模塊都有相應(yīng)的輸入/輸出端口，部分模塊還有獨(dú)立的參數(shù)設(shè)計(jì)界面。

2.2 建模仿真結(jié)果

調(diào)整發(fā)送端中的載波頻率：設(shè)置為74.92MHz（即頻率偏移為80kHz），運(yùn)行兩種解調(diào)模型。觀察解調(diào)前后I、Q的信號(hào)波形。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件平臺(tái)

考慮到解調(diào)器的多模設(shè)計(jì)，硬件電路中的元件選擇需要注意的主要包括：AD、FPGA和晶振。模/數(shù)轉(zhuǎn)化器（ADC）使用的是ADI公司生產(chǎn)的AD6645，F(xiàn)PGA使用的是Xilinx公司的300萬(wàn)門(mén)FPGA-XC2V3000，系統(tǒng)的采樣率需要根據(jù)不同的解調(diào)模式發(fā)生改變，因此配置頻率為45.8MHz和56.9MHz兩片晶振。

3.2 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA軟件是解調(diào)器的核心，解調(diào)系統(tǒng)低通濾波器、數(shù)控振蕩器、數(shù)字鑒相器、環(huán)路濾波器、差分解碼器、并串轉(zhuǎn)換器等模塊組成。

3.3 FPGA軟件功能仿真

在Testbench中讀入利用Matlab制作的數(shù)字化信號(hào)源數(shù)據(jù)，模擬ADC采樣功能。

（1）DBPSK解調(diào)模式功能仿真；

（2）DQPSK解調(diào)模式功能仿真。

3.4 在線測(cè)試與分析

主要就以下三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行解調(diào)器的在線測(cè)試：①可跟蹤的中頻信號(hào)頻率范圍測(cè)試；②解調(diào)系統(tǒng)的抗干擾能力測(cè)試，在中頻信號(hào)中混入不同信噪比的加性白噪聲，在保證一定誤碼率水平的情況下確定解調(diào)系統(tǒng)所能夠承受的信噪比下限；③接收的動(dòng)態(tài)范圍即中頻信號(hào)的功率范圍測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

軟件無(wú)線電技術(shù)提出的最終目的是實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的智能化和硬件平臺(tái)的通用化、小型化集成設(shè)計(jì)。本文基于SDR技術(shù)研究并實(shí)現(xiàn)了一種模式可無(wú)縫切換的全數(shù)字化解調(diào)器。利用可視化建模平臺(tái)建立了相應(yīng)的解調(diào)模型，定量分析仿各模型靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法提出了復(fù)用/優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，大大減少了FPGA邏輯資源的使用，給出了多模解調(diào)器功能仿真結(jié)果。文章還重點(diǎn)對(duì)解調(diào)器的頻率跟蹤性能、抗噪聲性能和接收動(dòng)態(tài)范圍等表征解調(diào)器重要性能的指標(biāo)進(jìn)行了定量評(píng)估和分析。

[1]Joe Mitola，The software Radio Architecture，IEEE Communication Magazine，May 1995.

[2]楊小牛，樓才義.軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[3]樊昌信，曹麗娜.通信原理.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007，3.

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1004-7344（2016）12-0296-01

2016-4-10