一种可变参数的数字突发调制器的实现

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•                 前言
  

          无线通信技术的快速发展使得通信设备的数量激增，每个设别的可用带宽越来越窄，带宽资源也变得极为宝贵。而在通信设备中收发是最为重要的环节，而其中的调制解调技术则是保证带限系统传输速率和通信可靠性的关键技术。近年来比较热门的卫星通信，深空通信领域以及各种地面通信对调制解调器的性能提出了更高的要求，但是多数调制解调器都是单一速率的。加之，软件无线电技术的日趋成熟，基于软件无线电的可变速率调制解调技术成为研究重点。软件无线电环境下的数字通信除了其原有的的高可靠性外，其灵活性也很好，可以根据信道的状况适时的改变传输率，能够用在各种各样的无线通信之中。
           
          目前数字调制器中,不仅其码率可以设置成不同值,参数可变,而且可用于不同的调制方式.多速率/多制式智能调制器也有一些研究成果,但是对于宽范围,高速率的每B/S可调的调制器国内还基本没有. 可变速率的调制器研究重点是基带调制，其中涉及到的技术有多速率通信中的抽取内插技术。速率的可调范围和调制灵敏度的因此也变得很高，实现上的困难在于分数倍的抽取内插。
           
          基于FPGA设计出一种数字智能型调制器,速率从2.4k~64kbps可变，调制方式包括BPSK，QPSK,π/4-OPSK，8PSK等多种调制方式。
           

       

•                 总体方案设计
  

       

        图1 系统总体结构框图

           
          本设计做的工作主要是基带调制解调。信号发生器发出信号，引入FPGA后首先做QPSK信号编码处理，然后通过可变带宽做成型滤波处理，内插滤波提高采样率。解调是调制的逆过程，先做抽取滤波降采样率，再用匹配滤波恢复基带信号，最后做信号解码。设计的难点在于任意可变带宽滤波器和相应的匹配滤波器的实现。
           

       

•                 算法设计
  

       

•                 QPSK调制解调算法
  

          3.11 QPSK调制
          四相相移键控QPSK是MPSK的一种特殊情况。它是利用载波四个不同的相
          位来表征数字信息的调制方式。
          QPSK信号可以表示为：
         
          式中wc是载波的角频率， 是第k个码元的载波相位取值，Ts是一个发送码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一，g(t)是发送码元的波形函数。可以取区间（0，2π）任何离散值的随机变量，可取的个数由调制方式的进制来决定。在QPSK调制系统中，发送端可取的相位值为四个。
           
          在星座图的映射中对应同相和正交分量，反映其在映射图中的矢量位置。对于四种相位的选择，存在π/2体系和π/4体系。π/2体系对应n=0，π/2，π，3π/2四个离散值。π/4体系对应n=π/4，3π/4，5π/4，7π/4四个离散值。四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二进制幅度调制的信号之和。从而容易发现两者具有一定的矢量约束关系，保证两者合成的矢量点在落在同一圆周上。这个关系意味着，系统的非线形失真对QPSK系统的可靠性影响很小。
           
          输入的串行二进制序列经过串并转换后，分成两路速率减半的序列，然后经过极性转换后变成两路双极性二电平信号I (t)和Q (t)，然后跟 和 相乘进行调制，相加后即得到QPSK信号。QPSK是由两路BPSK信一号构成，且两路信号相互正交的，即相位差相差90o，两路BPSK信号相加，即得到QPSK信号。
        3.12 QPSK解调
          在QPSK解调中，常采用相干解调QPSK解调过程相干解调中，正交路和同相路分别设置两个相关器(或匹配滤波器)，得到I(t)和Q(t)，经电平判决和并一串变换后即可恢复原始信息。当然，如果调制端是差分
           
          编码的，那么解调中并串变换后还需一个差分解码。
          经过判决电路后，同相路和正交路是经过极性转换的，1对应于二进制数据1，-1对应于二进制数据0。
           
          4.任意可变带宽滤波与匹配滤波

        这里实现任意可变带宽滤波器是用谱参数逼近法来实现的，方法是设计有限个滤器然后通过拟合来得到变带宽的效果具体如下图1示：

       

                                图2 可变带宽滤波器仿真图

         

        通过仿真得出滤波器的一些列系数如下，通过这些系数组a0,a1,a2,a3,a4,a5可以计算出可变带宽滤波器h=a0+f*a1+f^2*a2+f^3*a3+f^4*a4+f^5*a5。

         

        这些系数如下

        a0=[0.806466294698648    0.165988063560026   -0.713050322476795  -1.77338592441820 0.0877864798786572  0.226977956780457   -0.111109642867735  1.78480053899025    0.732943771782761 0.512661180405462   -0.305065513498233  -4.35454245297386   -1.28634516518167   2.03772207482657 1.50351324027359    6.26381774479487    0.911901420927711   -11.1497906117129   -3.19906845564326 7.75235243776745    2.42616177094787    -2.16971664983592   -0.125906125828858  0.671082954363544 -0.0157291920236843 -0.360931747073504]

        a1=[-2.12463153690271    -0.433590951121553  1.93291163887599    4.98101136771482 -0.497377219505355  -0.713013342700783  0.456387099303820   -4.98656778277491   -1.72948270041683 -1.34535633679826   0.647597330673324   12.2583050907699    3.07957814036715    -6.04467841646940 -3.76403819191948   -17.5242643277865   -1.58490444611362   32.3792714076544    6.98101232131387 -23.8276660186474   -5.72716223381524   7.62989559936474    0.749811159686047   -1.69630653961170 0.284975772905366   1.23656623190870]

        a2=[2.13772299046716 0.446345079982624   -1.99805965341968   -5.41187724988311   0.786009617203864 0.821081261256435   -0.645947016677873  5.42122636591989    1.52557593711457    1.37054704621931 -0.461461984900908  -13.3347070968058   -2.77023377123350   6.80810395019292    3.51406324350025 19.0107568754839    0.746594987268689   -36.0518036313658   -5.23073387325593   27.6024305663223 4.45862902597009    -9.77047430853692   -0.646705904810996  2.19281005317097 -0.0171727448274653 -1.00543952870984]

        a3=[0.985678037833210    2.84842949256360    -0.527443223678458  -0.438627638156390 0.411867397864448   -2.87261098896651   -0.620438793001492  -0.677379542074482  0.114700221542800 7.02103220373188    1.15872006289521    -3.65709310179715   -1.52423148189183   -10.0199878631590 0.0776072455272769  19.2990103404862    1.49180848423132    -15.1291314741528   -1.25484614941634 5.67078826775284    0.0187361068195128  -1.32634423940262   -0.0340260255451255 0.474923348490588]

        a4=[-0.233068920412247   -0.728075860049646  0.160491021006615   0.110049201073417 -0.121684031449354  0.742489554199410   0.113163893530095   0.163312396841264 0.00246342739489930 -1.79416180610687   -0.221197986215786  0.941891797023225   0.305029130459739 2.57108202631120    -0.131319564007276  -4.98384834584926   -0.0658146958353173 3.94686917712064 0.0323094902238828  -1.51225700485823   0.0993756701597346  0.353700692837298 0.00814775672632640 -0.103965220590672]

        a5=[-0.0207711564211826  -0.00572109086153830    0.0212323781213077  0.0724880747944420 -0.0182651821691074 -0.0104691674322053 0.0135601882858942  -0.0749469682982228 -0.00689231100915400    -0.0154658822576316 -0.00323393050451560    0.178500387066954 0.0147641641214295  -0.0934973708373481 -0.0221432091018941 -0.257406728674829  0.0234970359845240 0.498375448433995   -0.0233020209913227 -0.394451358288992  0.0240847925879930  0.150602957624163 -0.0196919025809065 -0.0342145822942934 -0.000834632336757700   0.00840413407839780]

         

        5.内插滤波和抽取滤波

          内插和抽取主要是要得到我们所需要的采样率，这里面会引入镜像分量，那么就需要选择内插和抽取滤波器来滤除镜像分量。