基于軟件無線電qpsk調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)。他們對(duì)軟件無線電體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了基于交換網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)。中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制了采用軟件無線電技術(shù)的空基遙科學(xué)指令接收機(jī)，調(diào)試時(shí)在不改變硬件的前提下完成了對(duì) BPSK 與 QPSK 兩種調(diào)制方式的解調(diào)。還有其他一些研究機(jī)構(gòu)提出在衛(wèi)星遙控系統(tǒng)、靶場(chǎng)移動(dòng)終端、 GPS 等場(chǎng)合采用軟件無線電技術(shù) 。甚至有人預(yù)言軟件無線電系統(tǒng)將成為遙測(cè)的“萬能工具”。 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 17 目前，在我國(guó)第三代移動(dòng)通信已全面鋪開，用戶可以通過手機(jī)終端、筆記本終端無線高速上網(wǎng) ，收看電視節(jié)目。而且與 GSM 網(wǎng)絡(luò)完美兼容，不能不說是與軟件無線電技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)成熟有著緊密的聯(lián)系。 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 18 第二章 軟件無線電中的調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 本章主要討論軟件無線電中的數(shù)字調(diào)制 和解調(diào) 的原理。軟件無線電具有靈活性、可擴(kuò)展性等主要特點(diǎn)，這主要是因?yàn)檐浖o線電的所有功能都是用軟件來實(shí)現(xiàn)的，通過軟件的增加、修改或升級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)新的功能。可以說，功能的軟件化是軟件無線電的最大優(yōu)勢(shì)之一。同樣，我們這章所要討論的軟件無線電中的調(diào)制 和解調(diào) 最終也要通過軟件來實(shí)現(xiàn)。 軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 軟件無線電的 核心思想在于使寬帶 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換器件盡可能靠近天線，將模擬信號(hào)盡早數(shù)字化，然后采用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片作后續(xù)處理，通過軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。一個(gè)軟件無線電系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成 :包括天線在內(nèi)的射頻處理模塊、寬帶 A/D與 D/A轉(zhuǎn)換器件、高速數(shù)字信號(hào)處理模塊。理想的軟件無線電如下圖 2一 1 所示 圖 21 理想軟件無線電 由于天線與 ADC 器件帶寬等因素限制，上述的理想軟件無線電 ( SWR ) 目前無法實(shí)現(xiàn)，工程上實(shí)現(xiàn)的稱為軟件定義的無線電 (Software 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 19 defined radio )。在一個(gè)軟件無線電 ( SDR )系統(tǒng)中， A/D 器件的位置非常重要，稱為數(shù)字接入點(diǎn)，它表明了數(shù)字化處理的起點(diǎn)。軟件無線電要求系統(tǒng)的全部可編程性，包括可編程的射頻 (RF)頻帶、信道接入模式以及信道調(diào)制等等，這是它與多模式無線電等的區(qū)別所在。 從信號(hào)流的角度分析了軟件無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括以下幾 個(gè)部分 : 實(shí)時(shí)信道處理流 實(shí)時(shí)信道處理實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)基本信息流處理，包括射頻子系統(tǒng)、寬帶 A/D 與 D/A 變換、信道分離、調(diào)制解調(diào)、安全處理 (加 /解密 )等等。 環(huán)境管理流 環(huán)境管理包 括無線電環(huán)境識(shí)別與高級(jí)控制，屬于近實(shí)時(shí)信息流。它可以從頻域、時(shí)域、空域多個(gè)角度描述無線電環(huán)境，完成信道識(shí)別、環(huán)境參數(shù)如信道干擾電平估值等等。環(huán)境管理采用模塊化操作，如快速傅立葉變換 (FFT)、小波變換、波束成形矩陣算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取信道參數(shù)后控制實(shí)時(shí)信道處理。 在線自適應(yīng) 在線自適應(yīng)功能的目的是根據(jù)無線電環(huán)境實(shí)現(xiàn)信噪比 (SNR)/誤比特率 (BER)優(yōu)化，頻帶與模式選擇優(yōu)化等，提供高的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。 離線軟件支持 離線工具包括實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析、增強(qiáng)信號(hào)處理等的軟件平臺(tái)。軟件無線電憑借離線軟件 (軟件工廠 ) 而支持業(yè)務(wù)增強(qiáng)。它允許定義增強(qiáng)的業(yè)務(wù)如改進(jìn)的波束成形、均衡器、網(wǎng)絡(luò)解碼器等等。這些改進(jìn)可以納入到樣機(jī)的信道處理流中，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置試驗(yàn)， 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 20 圖 22 軟件無線電信號(hào)流 排除算法中的錯(cuò)誤，最后確定改進(jìn)的價(jià)值 (增加的用戶密度 ) 以及耗費(fèi)的資源 (I/O 帶寬、時(shí)間延遲、處理容量等 )。 基于軟件的增強(qiáng)可以與開放體系結(jié)構(gòu)軟件接口標(biāo)準(zhǔn)一致，于是可以通過空中接口分發(fā)到其它軟件無線電節(jié)點(diǎn)。這樣，軟件無線電通信網(wǎng)就可以提供新的業(yè)務(wù)。 軟件無線電中的調(diào)制 實(shí)現(xiàn)的研究 連續(xù)波數(shù)字調(diào)制是以正弦信號(hào) (可以是高頻 正弦信號(hào)，也可以是音頻正弦信號(hào) )為載波，調(diào)制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式。 數(shù)字信號(hào)的載波傳輸，就是指以正弦信號(hào)為載波傳輸或運(yùn)載數(shù)字信息的信息傳輸方式。 數(shù)字信號(hào)可以看成是模擬信號(hào)的特殊情況，在這種意義上可以把連續(xù)波數(shù)字調(diào)制看成是連續(xù)波模擬調(diào)制的特殊情況。 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 21 數(shù)字調(diào)制的基本類型主要有振幅鍵控 (ASK)，頻移鍵控 (FKS)和相移鍵控 (PSK)等等。如果按照常規(guī)的方法，產(chǎn)生每一種信號(hào)就需要一個(gè)硬件電路，甚至一個(gè)模塊，那么要使一部通信機(jī)中產(chǎn)生幾種、十幾種通信信號(hào)，其電路就會(huì)極其復(fù)雜，體積重量都會(huì)很大。如果要增加一種新的 調(diào)制方式就非常困難。 軟件無線電中的各種調(diào)制信號(hào)是以一個(gè)通用的數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)為支撐，利用各種軟件來產(chǎn)生的。每一種調(diào)制算法都做成軟件模塊形式，要產(chǎn)生某種調(diào)制信號(hào)只需調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。由于各種調(diào)制用軟件來實(shí)現(xiàn)，因此在軟件無線電中，可以不斷地更新調(diào)制模塊的軟件來適應(yīng)不斷發(fā)展的調(diào)制體制，具有相當(dāng)大的靈活性和開放性。軟件無線電的各種調(diào)制完全可以基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 在當(dāng)代通信中，通信信號(hào)的種類很多，下面僅就 PSK 信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法加以討論。從理論上來說，各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法加以實(shí)現(xiàn)。 具體的方法 是把信號(hào)分成同相分量 (I 路 )和正交分量 Q(路 )，然后再分別調(diào)制。 可以寫出它的時(shí)域表達(dá)式。 S(t)=I(t)cos(ω ct)+Q(t)sin(ω ct) （ 21） 其中，ω c為載波頻率。調(diào)制信號(hào)的信息包含在 I(t)和 Q(t)內(nèi)。由于各種調(diào)制信號(hào)都是數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，因此，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)時(shí)要對(duì)式 (2 一1)進(jìn)行數(shù)字化。 S(n)=I(n)cos (nω c/ω s)+Q(n)sin(nω c/ω s) （ 22） ω s為采樣頻率的角頻率。在對(duì)調(diào)制信號(hào)和載波頻率進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，其采樣頻率可能 不一樣。我們可以采用多相濾波器來提高數(shù)據(jù)源的采樣速率，使得調(diào)制信號(hào)的采樣速率和載波的采樣速率一致。 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 22 下面就幾種典型的數(shù)字調(diào)制方式作一介紹。 ASK 調(diào)制實(shí)現(xiàn)的研究 一個(gè)二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)可以表示為一個(gè)單極性脈沖與一個(gè)正弦波相乘，即 （ 23） 式（ 23）中， g(t)是持續(xù)時(shí)間為 T 的矩形脈沖， an 為信源給出的二進(jìn)制符號(hào) 0,1。如果令 （ 24） 那么 （ 25） 因此，要實(shí)現(xiàn)正交調(diào) 制，只要令 I(t)=0 （ 26） Q(t)=m(t) （ 27） 就可以實(shí)現(xiàn) 2ASK 調(diào)制。 FSK 調(diào)制實(shí)現(xiàn)的研究 2FSK 信號(hào)是符號(hào) O對(duì)應(yīng)載波角頻率為 1? ，符號(hào) 1對(duì)應(yīng)載波角頻率為2? 的己調(diào)波形。它可以用一個(gè)矩形脈沖對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻實(shí)現(xiàn)，其表達(dá)式為 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 23 （ 28） 式中， na 的取值為 0， 1， g(t)為矩形脈沖 , 為 an 的反碼， T 為碼元周期。因此，只要把調(diào)制數(shù)據(jù)序列形成矩形脈沖，并把 2FSK 看成兩個(gè) ASK 信號(hào) 相加就可以了，并令 （ 29） （ 210） 然后再利用 式 (2－ 6)，式 (2－ 7)就可以實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制。 PSK 調(diào)制實(shí)現(xiàn)的研究 2PSK方式是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數(shù)字調(diào)制方式。 2PSK 的信號(hào)形式一般表示為 : （ 211） 式中， na 的取值為 1， +1，即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào) 0 時(shí) na 取 1，發(fā)送二進(jìn)制符號(hào) 1 時(shí) na 取 1。這種調(diào)制方式的正交實(shí)現(xiàn)與 2ASK 信號(hào)十分類似。 在用 2PSK 調(diào)制方式時(shí)由于發(fā)送端以某個(gè)相位作為基準(zhǔn)，因而在接收端也必須有這樣一個(gè)固定的基準(zhǔn)相位作參考。如果參考相位發(fā)生變化，則接收端恢復(fù)的信息就會(huì)出錯(cuò)。即存在“倒π”現(xiàn)象。為此在實(shí)際中一般采用養(yǎng)分相移鍵控 (2DPSK)。 2DPSK 是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位去表示數(shù)字信息的一種表示方法。 2DPSK 和 2PSK 只是對(duì)信源數(shù)據(jù)的編碼不同。在實(shí)現(xiàn) 2DPSK 調(diào)制時(shí)，只須把 2PSK 碼序列變成 2DPSK 碼，其他的操作和 2PSK 完全相同。假設(shè)在 2PSK 調(diào)制時(shí)，數(shù)字信息 0 用相位 0，數(shù)字信息 1 用相位π表示，在 2DPSK 調(diào)制時(shí)數(shù)字信息 0 用相位變化 0,數(shù)字信息 1 用相位變化π表示，則 2PSK 和 2DPSK 調(diào)制舉例如下。 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 24 數(shù)字信息 : 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 2PSK 相位 : 0 0 π π π 0 0 π 0 π 2DPSK 相位 : 0 0 π 0 π π π 0 0 π 在實(shí)現(xiàn) 2DPSK 調(diào)制時(shí)，只要先把原信息序列 (絕對(duì)碼 )變換成相對(duì)碼，然后進(jìn)行 2PSK 調(diào)制就可以了。相對(duì)碼就是按相鄰符號(hào)不變表示原信息 0，相鄰符號(hào)改變表示原信息 1 的規(guī)律變換成的。上述信息碼的相對(duì)碼為 : 2DPSK 編碼 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 軟件無線電中的解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 為了便于信號(hào)發(fā)射，提高信道利用率、發(fā)射功率以及改善通信質(zhì)量，人們研制出各種通信信號(hào)的調(diào)制樣式，相對(duì)于調(diào)制的逆過程――解調(diào)也因調(diào)制樣式的不同而不一樣，解調(diào)方法大致有相干解調(diào)和非相干解調(diào)二類。 一般而言相干解調(diào)性能比非相干解調(diào)好，在某些場(chǎng)合利用非相干解調(diào)的主要原因是其解調(diào)電路簡(jiǎn)單，硬件成本低。在解調(diào)需要用硬件電路實(shí)現(xiàn)的時(shí)代，當(dāng)然有其存在的理由，但其不足也是顯而易見的，如非相干解調(diào)過程中通常存在的“門限效應(yīng)”。 軟件 無線電中由于大部分功能用用軟件實(shí)現(xiàn)，硬件的總體成本降低。在軟件無線電中解調(diào)一般采用數(shù)字相干解調(diào)的方法。數(shù)字相干解調(diào)從原理上講與模擬相干解調(diào)法一樣。常見用于模擬解調(diào)電路的一般相干解調(diào)法（指用一個(gè)同頻同相的本地載波去相干解調(diào)），當(dāng)同頻同相不滿足時(shí)，解調(diào)就會(huì)嚴(yán)重失真。例如，在移動(dòng)通信中，接收到的信號(hào)受到嚴(yán)重衰落時(shí)，提取出來的載波質(zhì)量往往達(dá)不到要求，特別是在多譜勒效應(yīng)等引起的頻偏環(huán)境下更是如此。由于正交解調(diào)法在一定程度上能克服以上這些弱點(diǎn)，因此，軟件無線電的解調(diào)一般采用數(shù)字正交解調(diào)法。一般調(diào)制都基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 25 能用正交調(diào)制法進(jìn)行， 也就是說，正交解調(diào)法從理論上說可以對(duì)幾乎所有的調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào)。 盡管調(diào)制樣式多種多樣，但實(shí)質(zhì)上調(diào)制不外乎用調(diào)制信號(hào)去控制載波的一個(gè)（或幾個(gè)）參數(shù)，使這個(gè)參數(shù)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的過程。載波可以是正弦波或脈沖序列，以正弦型信號(hào)作為載波的調(diào)制叫做連續(xù)波調(diào)制。 對(duì)于連續(xù)波調(diào)制，已調(diào)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式為： ? ?120 s i n24( ) c o s c m n nTTmS n A n a ????? ??????? ??????? ? ???? （ 2－ 12） 調(diào)制信號(hào)可以分別“寄生”在已調(diào)制信號(hào)的振幅 A(n)、頻率 ()n? 和相位 ()n? 中，相應(yīng)的調(diào)制就是調(diào)幅、調(diào)頻及調(diào)相這三大類熟知的調(diào)制方式。由于頻率與相位有著一定的關(guān)系，為便于分析，可將式（ 2－ 12）改寫為 ? ?( ) ( ) c o s ( )cS n A n n n???? （ 213） 式中， c? 表示載波角頻率。 所以， ? ? ? ?( ) ( ) c o s ( ) c o s ( ) ( ) s in ( ) s in ( )( ) c o s ( ) ( ) s in ( )ccI c Q cS n A n n n A n n nX n n X n n? ? ? ?????（ 214） 式中， ? ?( ) ( ) co s ( )IX n A n n?? （ 2－ 15） ? ?( ) ( ) sin ( )QX n A n n?? （ 2－ 16） 這就是我們所希望獲得的同相和正交兩個(gè)分量，根據(jù) ()IXn、 ()QXn，就可以對(duì)各種調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào)。 基于軟件無線電 QPSK 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 26 下面就幾種典型的數(shù)字解調(diào) 方式作一介紹。 ASK 解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究 ASK 信號(hào)表達(dá)式：