软件无线电台中QPSK调制解调的算法及仿真.doc

学 号:3042003116中国人民解放军体育学院毕业论 文软件无线电中QPSK调制解调的算法与仿真THE REALIZE OF ALGORITHM AND EMULATION ABOUT MODULATOR AND DEMODULATOR ON QPSK IN SOFTWARE DEFINED READIO姓 名 钟 颖 浩 专 业通 信 工 程 指导教员 王 进 2006年12 月15 日软件无线电中QPSK调制解调的算法与仿真摘要：软件无线电是一种全新的无线电通信体系构造，其根本思想是把硬件作为无线通信的根本平台，而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现随着半导体和微电子技术的开展，在中频完成全数字化解调已成为可能本文就是对70 MHz的中频QPSK 信号进展直接带通采样，然后送入已写入载波同步算法和定时同步算法的FPGA中，从而完成对QPSK信号的全数字化解调，由于采用了可动态配置的FPGA来实现QPSK信号的解调，因此只需通过软件对其参数进展适当的设置，就可以完成对多种数据传输率、多种中频载波的QPSK信号的解调关键词：软件无线电，QPSK解调，载波同步，定时同步，数字锁相环，MATLAB仿真THE REALIZE OF ALGORITHM AND EMULATION ABOUT MODULATOR AND DEMODULATOR ON QPSK IN SOFTWARE DEFINED READIOAbstract：Software defined radio is a kind of new wireless munication system structure，the main principle was using the hardware as a basic platform of wireless munication，implement function of the wireless munication using software. In the paper，direct band pass sampling was used to QPSK signal with 70 MHz IF，and plete 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 recovery，timing synchronization，DPLL，MATLAB simulinkKey words：software defined radio，QPSK demodulation，carrier recovery，timing synchronization，DPLL，MATLAB simulink目录1 前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42 软件无线电．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42．1 软件无线电的种类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42．2　软件无线电的概念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52．3 软件无线电的特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53 数字锁相环的特性与构造．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64 QPSK载波恢复环的实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64．1　鉴相误差的提取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．74．2 鉴相增益的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．74．3 环路滤波器的参数设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．85　QPSK定时同步实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．96 Matlab仿真及全数字QPSK解调器在FPGA中实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．107 结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．121 引言在卫星数字通信系统中，由于星上发射机功率受限，通常采用抗干扰能力较强的PSK数字调制方式，QPSK调制便是其中应用最为广泛的数字调制方式之一。

按照信号检测理论，对QPSK 调制信号的平均误码率最小的最正确接收方式为采用锁相环路的相干接收方式QPSK调制信号是抑制载波的信号，无法用常规的锁相环或窄带滤波器直接提取参考载波，但它又不同于一些连续相位调制信号，其载波相位变化只能取有限的几个离散值，这就隐含了参考载波的相位信息，所以，可以通过非线性处理，消除信号中的调制信息，产生与原载波相位有一定关系的分量，然后再提纯该信号，恢复已被抑制的载波信号，进而完成信号的相干解调目前，常用的QPSK载波恢复方法有：平方环法，锁相环法，反调制环法在本文中，作者采用的是数字锁相环法，它具有实现简单、可靠、载波恢复算法简单等优点全数字QPSK解调器的核心问题在于对载波和定时的同步，其性能的好坏将直接对通信质量产生影响，因此所有的设计都是围绕这两个同步来进展的，本解调系统中的两个同步都是采用反应方式的锁相环来完成的针对载波同步用的是COSTAS数字锁相环，而在定时同步中采用的是基于米勒- 穆勒定时误差提取算法的数字锁相环，两种方法分别通过提取载波相位误差和定时同步误差，并分别用于控制各自的数控振荡器，从而得到与发射端相干的载波和定时同步时钟文章最后，给出了载波和定时的同步的仿真结果及具体的实现方法。

2 软件无线电2.1 软件无线电的种类无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，几乎任何领域都使用无线通信，包括有商业、气象、金融、军事、工业、民用等我们可从通信系统、调制方式、多址方式等几方面可看到无线通信系统种类的繁多类别种类通信系统卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统等调制方式AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM等多址方式时分多址〔TDMA〕、频分多址〔 FDMA〕和码分多址〔CDMA〕等各种通信系统由于自身的特点而适用于各种特定的场合，例如：短波电台适合远距离，其所需的发射功率不大，传输的“中继系统〞—电离层不会被摧毁；卫星通信能传播高质量的信息，所能提供的频带很宽微波通信抗干扰能力强，适合大量的数据传输，但只能在点与点之间传输，传输距离又有一定的限制由于无线通信的设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在军事和民用通信领域中都是不可缺的重要通信手段然而，电台往往是根据*种特定的用途而设计的，功能单一，有些电台的根本构造相似，而信号特征差异很大比方，工作的频段不同，调制方式不同，波形构造不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同等等。

电台之间的这些差异极大地限制了不同电台之间的互通互连软件无线电决定性的步骤，是将A/D〔和D/A〕变换器尽量向射频端靠拢应用宽带天线或多频段天线，并将整个中频频段作A/D变换，这之后整个的处理都用可编程数字器件特别是软件来实现我们可看出，这样一个体系构造具有非常大的通用性，对解决上面提到的问题有很大的潜力，可用来实现多频段、多调制方式和多址方式，构成多体制的通用无线通信系统2.2 软件无线电的概念所谓软件无线电，其关键思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等，用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统可以说这种电台是可用软件控制和再定义的电台，选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新其硬件也可以像计算机一样不断地更新模块和升级换代由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可同时，由于它能形成各种调制波形和通信协议，故还可以与旧体制的各种电台通信，大大延长了电台的使用周期，也节约了本钱开支。

2.3 软件无线电的特点〔1〕具有很强的灵活性软件无线电可以通过增加软件模块，很容易地增加新的功能它可以与其它任何电台进展通信，并可以作为其它电台的射频中继可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模块〔2〕具有较强的开放性软件无线电由于采用了标准化、模块化的构造，其硬件可以随着器件和技术的开展而更新或扩展软件也可以随需要而不断升级软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧式体制电台相兼容这样，既延长了旧体制电台的使用寿命，也保证了软件无线电本身有很长的生命周期3数字锁相环的特性与构造在相干解调技术中，要求在接收端提供一个参考载波，此载波应与信号载波同频同相从接收信号中提取相干载波有两种方法，一种是在发送信号的同时辅助传送一个载波信号，称为插入导频法；另一种方法是直接从已调信号中提取，称为直接法相移键控信号和抑制载波的双边带信号等，在其信号中并不含载频分量，用普通的锁相环无法提取，要设计特殊的锁相环路，即所谓抑制载波跟踪环路，才能完成从中提取相干载波的功能本解调器采用锁相环方式，它具有3方面优越特性：①载波跟踪特性，即锁相环路对输入信号的相位变化而言，可等效为一个窄带滤波器，不但能有效地利用窄带特性来滤除噪声与干扰，而且环路输出能跟踪输入信号的载波变化，从已调的输入信号中提取出纯洁的载波；②调制跟踪特性，适当设计环路可使输入信号调制频谱落在环路的通频带内，环路输出频率和相位能够准确地跟踪输入信号的频率与相位的调制变化；③低门限特性，锁相环路不像一般的非线性器件那样，门限取决于输入载噪比，而是由环路信噪比决定，一般环路通频带总比环路输入端的前置通频带窄得多，较高的环路信噪比可取得低门限特性，这样，将环路设计成窄带特性，就可以把淹没在噪声中的微弱信号提取出来，将环路用于解调调频、调相信号时，可取得门限扩展效果，并使其误码率降低。

全数字锁相环由数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器3 局部构成，其中鉴相器用于提取锁相环的输入与输出信号之间的相位误差信号，环路滤波器则对相位误差信号进展平滑滤波，之后用于控制数控振荡器产生相应的输出4 QPSK载波恢复环的实现本文采用的科斯塔斯环〔COSTAS〕是载波抑制环路的一种重要形式，科斯塔斯环去除了在载波频率分量上难以实现的平方电路，而用一个乘法器和相对简单的低通滤波器代替，具有原理简单易于实现。