基于通用化平台的多模解调器的研究与实现

吴毅杰 程庆林

（上海航天电子技术研究所 上海 201109）

基于通用化平台的多模解调器的研究与实现

吴毅杰 程庆林

（上海航天电子技术研究所 上海 201109）

针对未来空间飞行器通信设备之间通信质量和灵活性越来越高的要求，对多功能、高可靠、自适应全数字化接收机的需求更加迫切；本文结合软件无线电（SDR）技术分析了PSK（Phase-Shift Keying）信号的解调模型及其算法特点；研究发现：可基于通用的硬件平台通过上位机软件下发指令完成两种模式的解调器之间的无缝切换；本文结合Matlab、ISE、Modelsim等EDA工具，在自主开发的硬件平台上进行了实现，并完成了相关性能指标的测试。

通用平台；多模式；数字解调器；FPGA

引言

解调器是数字化接收机中的最为关键的信号处理模块。现代无线通信中，相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）调制方式由于其恒定的包络、在给定信号电平中有最低误码率、高效率等特点被广泛应用在军事和商业通信系统中，目前最广泛采用的PSK调制方式主要有：BPSK、OQPSK、QPSK等。其中BPSK信号调制解调实现最为容易，在我国第二代移动通信的窄带CDMA（IS-95）系统中得到了应用。QPSK调制方式相对BPSK调制拥有更高的频带利用率；相对于OQPSK调制，它又较易于实现，被应用到绝大多数高速数字卫星系统中，如美国NASA的跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）、日本地球资源卫星（JERS）以及我国的资源1号卫星，都采用QPSK调制方式。本文通过分析两种PSK信号的解调模型的特点，在同一硬件平台上实现一种双模解调器，并最终应用到载人航天飞行器的空空通信机、空空通信地面测试设备和探月工程测试设备中。

1 PSK解调算法

1.1 解调模型

解调器基本结构主要包括：中频采A/D、数字下变频模块、基带时钟恢复模块、差分解码模块、外部时钟和外围参数设置模块构成。

1.2 鉴相算法

经典的Costas环的中的鉴相器是乘法器，该环路被广泛应用在各种数字通信解调接收系统中。但是经典Costas环只能解调BPSK信号和UQPSK信号，要实现QPSK解调就必须考虑使用其他的环路。

1.3 数字下变频器

下变频器主要由三个部分组成：本地振荡器，数字混频器，低通滤波器。

NCO的原理和结构与直接数字频率合成的原理相同，NCO也是从相位概念触发直接合成所需的正/余弦波形将采样频率fclk均分为2N份，输出频率是频率分辨率的s倍，s是频率控制字（Frequency Control Word，FCW），则：

数字混频器其实就是一个乘法器，低通滤波器滤除二次倍频分量。

1.4 环路滤波器

环路滤波器有很多类型，包括RC滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器。

2 Simulink仿真

2.1 载波恢复环路建模

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，每一个模块都有相应的输入/输出端口，部分模块还有独立的参数设计界面。

2.2 建模仿真结果

调整发送端中的载波频率：设置为74.92MHz（即频率偏移为80kHz），运行两种解调模型。观察解调前后I、Q的信号波形。

3 系统实现

3.1 硬件平台

考虑到解调器的多模设计，硬件电路中的元件选择需要注意的主要包括：AD、FPGA和晶振。模/数转化器（ADC）使用的是ADI公司生产的AD6645，FPGA使用的是Xilinx公司的300万门FPGA-XC2V3000，系统的采样率需要根据不同的解调模式发生改变，因此配置频率为45.8MHz和56.9MHz两片晶振。

3.2 FPGA软件设计

FPGA软件是解调器的核心，解调系统低通滤波器、数控振荡器、数字鉴相器、环路滤波器、差分解码器、并串转换器等模块组成。

3.3 FPGA软件功能仿真

在Testbench中读入利用Matlab制作的数字化信号源数据，模拟ADC采样功能。

（1）DBPSK解调模式功能仿真；

（2）DQPSK解调模式功能仿真。

3.4 在线测试与分析

主要就以下三个指标进行解调器的在线测试：①可跟踪的中频信号频率范围测试；②解调系统的抗干扰能力测试，在中频信号中混入不同信噪比的加性白噪声，在保证一定误码率水平的情况下确定解调系统所能够承受的信噪比下限；③接收的动态范围即中频信号的功率范围测试。

4 结束语

软件无线电技术提出的最终目的是实现通信系统的智能化和硬件平台的通用化、小型化集成设计。本文基于SDR技术研究并实现了一种模式可无缝切换的全数字化解调器。利用可视化建模平台建立了相应的解调模型，定量分析仿各模型静态和动态参数，对常规的设计方法提出了复用/优化设计方法，大大减少了FPGA逻辑资源的使用，给出了多模解调器功能仿真结果。文章还重点对解调器的频率跟踪性能、抗噪声性能和接收动态范围等表征解调器重要性能的指标进行了定量评估和分析。

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

[2]杨小牛，楼才义.软件无线电原理与应用.北京：电子工业出版社，2001.

[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，2007，3.

[4]洪振宏.高码速率QPSK解调器载波恢复环的算法与实现.中国科学院空间科学与应用研究中心，2007.

[5]张庆民.高速中频采样和数字下变频的研究.中国科学技术大学博士论文，2000，5.

TN948.55

A

1004-7344（2016）12-0296-01

2016-4-10