基于软件无线电的可调中频调制器的设计和实现

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时间:2019-05-24

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1、基于软件无线电的可调中频调制器的设计与实现1.引言:软件无线电(softwaredefinedradio)是无线电系统从模拟到数字再向前发展的新阶段。其目标是在可编程的硬件平台上通过注入不同的软件,实现对工作频段、调制解调方式、信道多址方式等无线功能的改变。在软件无线电的研究过程中,调制解调技术是无线通信系统的重要组成部分。目前对于软件无线电调制技术的实现多是采用具有调制功能的专用芯片(其中应用较为广泛的是AD公司的AD985X系列)[1]或是采用可编程器件结合专用芯片方法实现[2]。然而在某些场合,调制方式和控制方式会与系统的要求差距很大。因而,完全采用高性能的FPG

2、A器件设计出符合要求的调制电路就是一个很好的解决方法[3],此方法提供了一个良好的数字无线通讯系统的验证环境,可将多种调制算法在实验平台上实现,并通过平台提供的基本控制对系统进行验证仿真。并且用这种软件化硬件的设计方法,可以产生多种模式的数字调试方式,具有集成度高、易于升级等优点。本文基于DDS(直接数字频率合成)的技术原理,采用Altera公司推出的在FPGA上进行DSP开发的开发工具DSPBuilder软件,设计了一种适合与软件无线电使用的可调中频数字调制器,实现FSK、PSK、ASK三种调制方式,并通过FPGA芯片进行系统验证。2.DDS的基本原理DDS(Dire

3、ctDigitalSynthesize)即直接数字合成,是一种新型的频率合成技术,图1为DDS的基本实现原理结构图。DDS以数控振荡器的方式,产生频率、相位和幅度可控的正弦波[5]。电路包括相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表、基准时钟源、D/A转换器等组成。其中前三者是DDS结构中的数字部分,具有数控频率合成的功能。DDS是基于查找表方法,将一个正弦波周期的N个均匀采样点存储在存储器中,以均匀速率将这些采样点输送到DAC,即可得到一个单频正弦波,如果每隔K个采样点输出一个数据,则会得到K倍频的正弦波。但是,系统会存在一个上限频率,这取决于N的选择和系统的采样频率。

4、设一正弦波为:s(t)=sin(w0t)=sin(2∏f0t)(1)对其以采样频率fs进行采样,得到:s(n)=sin(2∏f0tTs)(2)这样可以得到此正弦信号的相位增量为:△φ=2∏f0Ts=2∏f0/fs(3)将一个周期的正弦波均匀分为N份,取N为2的整数幂。则每一份的相位的大小是:δ=2∏/N(4)如果每隔K个点输出一个采样值,则相位增量就是Kδ,输出频率为:f=Kδ/2∏Ts=Kfs/N(5)根据采样定理,K应该满足K≤N/2。可以通过增加一个周期的采样点N,也就是增加采样频率得到更高的输出频率。这是计算中频调制参数的依据。DDS与传统的频率合成技术相比,具

5、有频率稳定度高,频率转换速度快,输出相对带宽宽,频率分辨率高等特点,将DDS的这些功能应用于软件无线电中,可以部分降低CPU的处理负担,使整个系统的性能达到较好的程度[6]。3.FSK、PSK、ASK调制原理在数字通信系统中,数字基带信号通常要经过数字调制后再传输。常见的调制方式有频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、幅移键控(ASK)等。以基带数字波形序列来表示{ak},通常二进制数字基带信号表示为:m(t)=∑akg(t-kTb)其中,ak为二元码符号,1或0;g()为单极性不归0波形,归一化幅度;Tb为二元序列码元间隔。则频移键控(FSK)信号为:sFSK(t)

6、=A0∑[akg1(t-kTb)cos(w1t+θ1)+(1-ak)g2(t-kTb)cos(w2t+θ2)]其中w1为传号载频;w2为空号载频;θ1和θ2分别为传号与空号载波的初相,在[-∏,∏]均匀分布;w0=(w1+w2)/2为载波频率;kTb≤t≤(k+1)Tb。相移键控(PSK)信号为:sPSK(t)=A0∑[akg1(t-kTb)cos(w1t+θ1)+(1-ak)g2(t-kTb)cos(w1t+θ2+∏)]幅移键控(ASK)信号为:sASK(t)=m(t)c(t)=m(t)A0cos(w0t+θ0)=A0∑akg(t-kTb)cos(w0t+θ0)实现上

7、述调制的方式有多种,采用DDS技术做正交调制,能够克服解调输出的严重失真,提高抗噪声性能。对此正交调制表现在已调信号(传号与空号)各自的相关系数——正交关系。FSK和ASK相关系数均为ρ12=0,PSK的相关系数为ρ12=-1。一般的,要满足此条件,应考虑到载波频率f0是码元频率Rb=1/Tb整数倍,即f0=mRb,或1bit间隔包括整数个载波周期,即Tb=mT0,这将作为在DSPBuilder中优化系统时的依据。4.基于DSPBuilder的可调中频调制模块设计DSPBuilder是Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具,

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