第２９卷第３期 电子器件 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｖ０１．２９ Ｎｏ．３ ２００６年９月 Ｓｅｐ．２００６ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ７ｃ／４一ＤＱＰＳＫ Ｍｏｄｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＨＥ Ｆｅｉ—ｙａｎｇ，ＧＡＯＪｕｎ，ＧＡＯＤａｏ－ｅｎ （ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇ．Ｃｏｌｌｅｇｅ，ＮａｖａｌＵｎｉｖ．ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３，Ｃｈ ， ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎ／４・・ＤＱＰＳＫ ｍｏｄｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅａｓｙ ｕｓｉｎｇ ＤＳＰ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔＯ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｉｓ ｏｎｅ ｈａｓ ｌｏｗｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｇｏｏｄ ｉｎ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｅａｓｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｉｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ＢＥＲ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ ０ｆ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊ ｅｃｔ．Ｉｔ’Ｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｔ’Ｓ ｇｏｏｄ ｅｎｏｕｇｈ ｔｏ ｆｕｌｆｉｌｌ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎ／４一ＤＱＰＳＫ；ｓｙｍｂｏｌ ｔｉｍｉｎｇ；ＤＳＰ ＥＥＡＣＣ：１２５０ 基于ＤＳＰ的ｎ／４一ＤＱＰＳＫ调制解调器的实现 贺飞扬，高 俊，高道恩 （海军工程大学电子工程学院，武汉４３００３３） 摘 要：介绍了一种广泛应用于移动通信、卫星通信中的 ／４一ＤＱＰＳＫ调制解调技术。给出了一种易于ＤＳＰ实现的 ／４一 ＤＱＰＳＫ调制解调器的算法，相比于相干解调算法，该算法计算量小，在实际信道中测试性能好，同时该算法减少了硬件实现 的难度。利用蒙特卡罗方法对该方案进行了仿真，并给出了理论和仿真的误比特率曲线。实验表明该算法执行效率高，能够 满足实际通信系统对调制解调器的要求。 关键词： ４一ＤＱＰＳＫ；符号定时；ＤＳＰ 中图分类号：ＴＮ９ｌ１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－９４９０（２００６）０３－．）６８８—ｏ３ ｎ／４一Ｄ（ ＳＫ是一种线性窄带数字调制技术。 现，介绍了相应的硬件系统，并给出了仿真的误比特 率曲线。 由于其频带利用率高、占用频带窄，特别是能够使用 差分检测的方案，因此应用广泛。ｎ／４－ＤＱＰＳＫ调制 方式是由美国贝尔实验室的Ｐ．八Ｂａｋｅｒ首先提出 的。它是在ｏＱＰＳＫ、ＱＰＳＫ的基础上发展起来的， １ ｎ／４－ＤＱＰＳＫ调制方案设计 调制端主要是由ＤＳＰ完成信号映射和波形成 形的工作，调制端具体框图如图１所示。信息码流 和 被差分编码 ： Ｊｌ—Ｊ卜１ＣＯ 一Ｑ卜１ｓｉｎ＆ — １ｓｉｎ＆＋Ｏａ－１ｃｏｓ （１） （２） 与ＯＱＰＳＫ和ＱＰＳＫ相比，其相位突变限于±ｎ／４ 或±３ｎ／４，避免了由于１８０。的相位突变引起的剧烈 的包络起伏和非线性放大，而且它可以使用差分检 测方法，以避免移动通信中，由于时延扩展，多普勒 频移等不利因素造成的载波恢复的困难，从而大大 简化了接收机的设计。本文基于ＤＳＰ技术，给出了 一其中：Ｊ 和Ｑ 是差分编码和符号映射后的第ｋ个 种ｎ／４－Ｄ（ ＳＫ软件ｍｏｄｅｍ的核心算法及其实 符号间隔的脉冲幅度。 是第ｋ个符号间隔的相位 变换值。为了避免直接计算方程式，从而提高信号 收稿日期：２００５－０９－１２ 作者简介：贺飞扬（１９８２一），男，硕士研究生，主要研究方向为通信信号处理及ＤＳＰ应用。ｆｌｙｉｎｇｈｊｇｃ（￣１６３．ｃｏｍ； 高俊，男，海军工程大学电子工程学院博士生导师，教授，主要研究方向为软件无线电技术； 高道恩，男，海军工程大学计算机工程系，硕士生，主要研究方向为单片机技术应用。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 贺飞扬，高俊等：基于ＤＳＰ的，ｒ／４一ＤＱＰＳＫ调制解调器的实现 ６８９ 的。由于本文采用的方案信息速率较低，故采用基 带差分检测方案。，ｒ／４一ＤＱＰＳＫ基带差分检测框图 如图２所示。 ，路样点 图１调制端基带处理模块 映射的速度和精度，我们采用查找表法来完成信号 出 的映射。这是通过考虑，ｒ／４一ＤＱＰＳＫ星座点以及输 人信号Ａｔ，Ｂ＾和绝对相移 ｔ之间的关系得出的，具 体如表１所示。 表１相位变换查找表 ２Ａ＋既 Ａ 既 查表移位量 该表说明了输人相位信息和相位转换之间的关 系。与之相应的是８个星座点的查找表（Ｑ 格式）： Ｌｏｏｋｕｐ：．ｗｏｒｄ ７ｆｆｆｈ，０ ．ｗｏｒｄ ５ａ８２ｈ，５ａ８２ｈ ．ｗｏｒｄ ０，７ｆｆｆｈ ．ｗｏｒｄ ａ５７ｅｈ，５ａ８２ｈ ．ｗｏｒｄ ８０００ｈ，０ ．ｗｏｒｄ ａ５７ｅｈ，ａ５７ｅｈ ．ｗｏｒｄ ０，８０００ｈ ．ｗｏｒｄ ５ａ８２ｈ，ａ５７ｅｈ 由于是差分编码，首先要初始化一个相位信息。 若当前星座点是［ ， ］一［－１，０３，而输人相位信息 是［Ａ，Ｂｋ］一［－０，１］，那么指针移动６位，对照查找 表找到相应的映射点［ ，Ｑ］一［一０．７０７，０．７０７］。 把该查找表放在循环缓冲区中，依次就可以得到后 续的信号映射信息了。脉冲成形滤波器的作用是消 除码间干扰和频谱扩散，现代通信系统中一般采用 升余弦滤波器，那么在收发端各自采用平方根升余 弦匹配滤波器就可以满足无码间干扰的要求。改变 滚降系数ａ就可以改变不同情况下对带宽的要求。 ２兀／４一ＤＱＰＳＫ解调方案及ＤＳＰ实现 ７ｒ／４一ＤＱＰＳＫ信号的解调分为相干检测和差分 检测。其中差分检测又分为三类口】，分别为：基带差 分检测、中频差分检测、ＦＭ鉴频器检测。在静态时 相干检测比差分检测能够获得１～３ ｄＢ的功率增 益，但在实际移动信道中受多径衰落、多普勒频移的 影响，相干载波很难获得，其性能反而不及差分检 测。以上３种差分检测方案在静态接收时是等效 图２解调端基带处理模块 在接收端，在保证载波频率同步的条件下，样点 经匹配滤波器滤波得到 ，Ｚ＾： 一ｃｏｓ（ 一 ） （３） 一ｓｉｎ（ 一 ） （４） 其中， 是采样时刻的载波相位， 是任意相位，该 相位将在后续的差分变换中抵消。为了重新获得符 号问的相位信息，Ｗｋ，Ｗｋ一 ， ， 一 决定了符号问的 相位改变值，其中Ｗｋ一 ， 一 是Ｗｋ， 延时一个符号 的值，因此有： ＪＴｋ一硼＾硼｝＿ｌ＋ １一ｃｏｓ（ 一 １） （５） ｙｋ— ＾硼｝＿１＋ Ｉ 卜１一ｓｉｎ（￣ｋ—ｌ５｝＿１） （６） 利用ｚ ，Ｙｌ的硬判决方法的数据恢复在文献 ［－２３中已经给出。符号定时是解调器中不可或缺的 一环，这是因为在存在噪声的环境下，应该选取合适 的样点用于数据恢复，以确保获得正确的信息。这 里给出的符号定时算法是基于样点能量比较技术， 每个样点的能量ｅ由下式给出： ｅ—ｚ２＋ｙｉ （７） 由文献［－３３得知，样点的能量是独立于任何 载波的频率和相位偏移的。在实际通信系统中， ｎ／４一ＤＱＰＳＫ调制８个星座点上的能量获得最大 值，这个最大值一般在每个相位符号（２ ｂｉｔ）中间 的采样点上获得，而在各个相位符号中间样点之 间的样点的能量要比最大值小，且可以取得最小 值，因此当样点能量从最大变为最小式，我们就 可以确定下一个相位信息到来的时刻了。若我 们采用一个符号采８个样点的方案，中间的样点 获得最大的能量，而在符号边界上样点的能量最 小，那么我们就可以利用样点之间的能量差来寻 找最大的能量样点。如图３所示，Ｅ（０）～Ｅ（７） 代表８个样点的能量。首先估计一个最大能量 的样点值，若该样点能量与前一样点能量之差低 于某个门限值，那么我们就找到了最佳样点；若 该样点能量与前一样点之差大于门限值，就要对 维普资讯 http://www.cqvip.com
６９０ 电 子 器件 第２９卷 样点进行移位，若差值为正则右移一个样点，反 之则左移一个样点，这样我们总能找到能量最大 的样点。 一个符号的时间 图３一个符号间隔的样点能量 设当前样点能量为ｅ ，上一样点能量为ｅ ，符号 定时算法的伪码如下： ｔｈｒｅｓｈ＝设定一个门限值； ｃｏｕｎｔｅｒ－－设定为一个符号采样点数的一半； Ｓｔａｒｔ： ｉｆ ｌ 一 ｌ＞ｔｈｒｅｓｈ ｔｈｅｎ ｇｏｔｏ‘ｍｏｄｉｆｙ’ ｍｏｄｉｆｙ：ｉｆ 一 ＞Ｏ ｔｈｅｎ ｇｏｔｏ‘ｃｈｅｃｋｍ’ ｅｌｓｅ ｇｏｔｏ‘ｃｈｅｃｋ１’ ｃｈｅｃｋｍ：ｃｏｕｎｔ１＝０ ｉｆ ｃｏｕｎｔｍ＝一ｃｏｕｎｔｅｒ ｔｈｅｎ ｇｏｔｏ‘ｓｈｉｆｔｒｉｇｈｔ’ ｅｌｓｅ ｆ ｃｏｕｎＬｒｎ＝ｃｏｕｎｔｍ＋１ ｇｏｔｏ‘ｆｉｎｉｓｈ’） ｃｈｅｃｋ１：ｃｏｕｎｔｎｌ：０ Ｉｆ ｃｏｕｎｔ１：＝一ｃｏｕｎｔｅｒ ｔｈｅｎ ｇｏｔｏ‘ｓｈｉｆｔｌｅｆｔ’ ｅｌｓｅ ｆ ｃｏｕｎｔ１＝ｃｏｕｎｔｌ＋Ｉ ｇｏｔｏ‘ｆｉｎｉｓｈ’） ｓｈｉｆｔｒｉｇｈｔ：“右移一个样点” ｇｏｔｏ‘ｆｉｎｉｓｈ’ ｓｈｉｆｔｌｅｆｔ：“左移一个样点” ｆｉｎｉｓｈ：“取当前样点为最佳样点” ３硬件电路设计 整个７ｒ／４一ＤＱＰＳＫ调制解调器基带处理部分 采用ＴＩ公式的ＴＭＳ３２ＯＣ５４Ｏ２ＤＳＰ实现。将信 息码流速率定为４．８ ｋｂｉｔｓ；符号速率２．４ ｋｓｙｍ— ｂｏｌ／ｓ；抽样频率１９．２ ｋＨｚ。Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ芯片为 ＡＤ公司的ＡＤ７３３ｌ１，它同时集成１６ｂｉｔ的Ａ／Ｄ 和Ｄ／Ａ转换器，最大抽样速率为６４ ｋＨｚ。如图４ 所示。 ＴＭＳ３２ＯＣ５４０２ＤＳＰ的ＭＣＢＳＰ与ＡＤ７３３ １ １相 应的引脚相连。调制端基带处理完毕后由ＤＸ口把 数据传至ＳＤＩ，再Ｄ／Ａ出去；解调端，Ａ／Ｄ采样数据 经ＳＤＯ传至ＤＲ口，再送到ＤＳＰ中进行基带处理。 入 出 图４ ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２与ＡＤ连接图 ４实验仿真及结论 本文采用信道加高斯白噪声的方法进行仿真， 将实验产生的＇ｃ／４一Ｄ（ ＳＫ ｍｏｄｅｍ的误比特率曲 线与理论误比特率［４］曲线进行比较。同时也给出 了ＢＰＳＫ调制方式的理论和仿真的误比特率曲线。 仿真结果如图５所示。 图５ 高斯白噪声条件下误比特率比较 本文介绍了一种７ｒ／４一ＤＱＰＳＫ调制解调器的算 法，进行了详尽的理论阐述，对该算法进行了仿真， 并利用ＤＳＰ实现了该算法。实验表明，该算法在相 位抖动和小频偏的情况下仍然是有效和稳定的。 参考文献： １＂１３ Ｆｅｈｅｒ Ｋ Ｗｔｒｅｈｓｓ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃａｒｍｎｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；ＩＶ￣ｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｐｒ￣ｔ ＳＯｅｃｔｎ￣ ）ｐｌ ６∞ｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，１９９５． １：２－１ Ｆｅｈｅｒ ＭＯＤＥＭＳ ｆｏｒ Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ－Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａ－ ｄｉｏ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍａｙ．１９９１，４０ｔ３５５—３６５． ［３］Ｔｒｏｕｌｌｉｎｏｓ，Ｇｅｏｒｇｅ，ｅｔ ａｌ，Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｐ— ｌｉｔｂａｎｄ Ｍｏｄｅｍ Ｕｓｉｇｎ ｔｈｅ ＴＭＳＳ２０１０Ｉ＇Ｍ－］．Ｄｉｇｉａｔｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＴＭＳ３２０ Ｆａｍｉｌｙ，Ｖｏ１．２，Ｐｒｅｎ— ｉｒｃｅ－Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ，１９９１． ［４］Ｍｉｌｌｅｒ Ｌ ａｎｄ Ｌｅｅ Ｊ．ＢＥＲ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙ Ｄｅｔｅｅ－ ｔｅｄ ／４一ＤＱＰＳＫ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ［＇Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｏｍ— ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｊａｎ．１９９８，４６：７１－８１． ［５３ Ｓａｎｄｅｅｐ Ｃｈｅｎｎａｋｅｓｈｕ ａｎｄ Ｓａｕｌｎｉｅｒ Ｇａｒｙ Ｊ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｄｅｔｅｃ— ｔｉｏｎ ｏｆ ／４一ｓｈｉｆｔｅｄ－Ｄ（ Ｋ ｆｏｒ Ｄｉｇｉａｔｌ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｒａｄｉｏ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｌ＇ａｎｓ Ｖｅｈ Ｔｅｃｈｎｏｌ，Ｆｅ ｂ．１９９３，４２（１）：４６—５７． ［６３ Ｊｏｈｎ Ｇ Ｐｒｏｋｉ￣数字通信［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３．
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