摘 要

DPSK（Differential Phase Shift Keying），即差分相移键控，是现代通信系统中较为常用的信号调制技术。它不但克服了传统的多进制相移键控在解调时所出现的倒π现象，还具有误码率低、设备复杂度小、频谱利用率较高以及包络相对恒定等优点，并且这种调制方式是利用已调制信号的前后码元之间载波相位的相对变化来传递数字信息。正是由于DPSK的这些优良特性 ，使得其在当代的无线通信领域及卫星同性领域中得到广泛的应用。

本文主要论述了以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)、Altera公司的Quartus II 13.0软件为平台，进行基于软件无线电的思想DPSK调制与解调系统的设计与仿真实现，其中包括以常用的信道编码里德—所罗门码和卷积码级联实现信道编码、全数字化同相正交调制作为调制方式、载波同步、码元（位）同步和帧同步等现代通信系统中常用的同步技术，并且实现了PCI（Peripheral Component Interconnect）接口通信模块的设计。

关键词：差分相移键控；软件无线电；现场可编程门阵列；同步技术.

Abstract

DPSK (Differential Phase Shift Keying), differential phase shift keying, is a relatively common signal modulation technique in modern communication systems. It not only overcomes the inverted π phenomenon of traditional multi-phase shift keying demodulation, but also has the advantages of low error rate, low equipment complexity, high spectrum utilization, and relatively constant envelope. This modulation method utilizes the relative change of the carrier phase between symbols before and after the modulated signal to transmit digital information. Due to these excellent characteristics of DPSK, it has been widely used in the field of contemporary wireless communications and satellite homology.

This article mainly discusses the design and simulation of the DPSK modulation and demodulation system based on software radio using Field Programmable Gate Array (FPGA) and Quartus II 13.0 software from Altera Corporation. Commonly used channel coding Reed-Solomon code and convolutional code concatenation to realize channel coding, all-digital in-phase quadrature modulation as modulation method, carrier synchronization in signal demodulation system, symbol (bit) synchronization and frame synchronization technology, and implementation The PCI (Peripheral Component Interconnect) interface communication module design.

Keywords:DPSK;FPGA;SDR; Synchronization

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2软件无线电与数字调制技术简介 2

1.3 本文主要工作以及内容安排 3

第2章 DPSK调制解调系统介绍 4

2.1信号采样理论 4

2.1.1低通信号采样定理 4

2.1.2带通信号采样定理 6

2.2信道编译码原理 7

2.2.1 RS编译码介绍 7

2.2.2卷积码编译码介绍 10

2.2.3级联编码原理 14

2.3 DPSK调制解调原理 14

2.3.1同相正交调制 15

2.3.2 DPSK调制 16

2.4同步技术介绍 17

2.4.1载波同步与科斯塔斯环 18

2.4.2码元同步原理 20

2.4.3帧同步原理 21

第3章 模块设计与实现 22

3.1 DPSK调制模块仿真 22

3.2级联编码设计与仿真 23

3.3同步模块设计与仿真 25

3.3.1载波同步 25

3.3.2帧同步 26

3.3.3码元同步 26

3.4 PCI通信模块实现 26

第4章 总结与展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

随着信息科技与无线通信技术的持续高速发展，无线电通信技术正被广泛应用于军事和民用领域中，不断地巩固这国防安全，提高着人们生活的便利程度，使得人们远距离的沟通交 -着力改进自身的不足，创立创新技术体系，推动通信技术更加科学化的发展。

1.1课题研究背景及意义

软件无线电的思想最早是由美国提出，起初是用于军事通信领域，因为软件无线电在军事应用上，十分契合当代战场对多军种联合作战的需要。军事作战通信要求极高的保密性和传输速率，而传统的无线电台频率一般使用的都是不一致的，并且在加密模式、信息传输格式等方面有着诸多的不兼容性，导致各种军事通信系统之间不能实现相互连通，严重制约着现代战争的发展。因此，为了适应当代不同军用电台的对高质量高保密性通信系统的需求，能够切实有效的实现不同军种协同作战的军事意图，软件无线电技术正在被各国广泛应用于军事通信领域。

进入新世纪的近二十年以来，互联网信息技术得到了全世界的高度关注和飞速发展，在军事领域也掀起了现代化信息化战争发展的狂潮。而当代互联网高速发展背景下的信息化战争中，电子战作为一个新的课题和研究方向，它的发展又得到当今各国的青睐和重视。由于软件无线电保密性好、设备易实现操作简单等特点，使得其在现代战争特别是电子战中也有着十分重大的研究意义。在当前，新型电子战的所处理的信号几乎覆盖了整个无线电频段，待处理的信号种类繁多极其复杂，真实战场环境还充斥着大量的电磁干扰信息，导致系统大多是在被动条件下接收的。在多变复杂的信息化战争中，对敌方信号的侦查往往是先进行多种信号的假设，一旦敌方通信方式做出改变或目标信号与预想的不一致，系统就会处于被动状态甚至是无能为力。所以电子战的发展依赖于适应性强、信号处理灵活性高、工作频带宽的系统，用以甄别敌我信号，适应复杂多变的战场情境，而软件无线电技术为这一系列问题带来了很大的机遇。

在民用方面，软件无线电技术在ＣＤＭＡ１×基站和３Ｇ系统中得到广泛应用，蜂窝通信系统中，由于软件无线电技术的使用，使得其移动终端和基站设备的软件更加简单易实现，并且其可编程的特点也大大优化了系统软件定义的功能。在３Ｇ系统中，软件无线电技术在给系统提供了通用结构的同时，也完美契合了多种通信协议及标准。而且当前市场中流行的商业化无线电通信设备大多是用单纯的硬件来实现的，即将系统功能集成到芯片中，这样虽然降低了了大规模生产的成本，但由于其开发周期长，在更新维护或者出现漏洞时需要重新制作生产，造成时间和研发成本的浪费。而软件无线电能够很好地弥补纯硬件实现通信系统的缺点，它只需要基础的硬件架构，其他的系统功能均通过编程来实现，在FPGA或PLD（Programmable Logic Device）等平台上用硬件编程语言完成相应模块的更改，软件模块可以根据不同的需求做出相应的更新，且软件模块和硬件模块相对独立，这样在降低了系统对硬件需求的同时，也提高了兼容性和可移植性，在开发过程中可以大大提高硬件产品的更新和换代速度，极大地减少系统的开发周期和维护成本。当前，智能家居正逐步发展渐渐走向千千万万的普通家庭，为人们的生活带来越来越多的便利。智能家居，顾名思义就是使家用的各种电器和其他居家设备具有“智能的大脑”，有一定的通信能力，以实现用户对家用电器和设备的远程管理和控制。而这些集成于智能家电中的通信模块大多是基于软件无线电的思想设计的，软件无线电的模块化通信给智能家居系统提供多样化的通信控制能力，再结合互联网技术，赋予家用设备“自我工作”能力。

1.2软件无线电与数字调制技术简介

软件无线电技术实质上就是用软件代码的编写来对硬件电路进行控制，使硬件电路系统按照软件控制信息进行运作的无线通信技术。软件无线电设计理念包括开放性、通用性以及模块化结构等^[1]，它的典型通用硬件体系如图1.1所示。由图1.1我们可以得知软件无线电系统的典型通用硬件体系由宽带射频前端模块（作用是对信号传输过程中在信道内识别和处理相关信号）、通用多速率波形处理模块（作用是将收到的信号进行抽样处理，再进行相应的抽取与内插处理之后，依次完成信号的滤波、符号速率匹配、调制和解调、信道编码等操作）、可编程信息处理模块（作用是在系统通信时进行信息处理）、信息安全处理模块（作用是将传输的信号进行加密和解密等处理操作）和可编程多功能接口模块（作用主要是对不同类型的通信接口之间进行相互转换，以适配其他网络或总线接口）五大功能模块组成。

数字调制技术作为通信系统的关键一环，它同时也是软件无线电通信技术中的核心技术。通常信号由信源传输到信宿需要远距离的传输，而由于信道中的噪声和衰落等因素的影响，数字信号接收端接收到的信息可能与原来的信息不一致。数字调制技术通过所要传输的信息来控制已知载波信号幅度、相位或频率的方式，对数字信号进行调制，使信号适合在相应的信道中传输，将调制后的信号发送到系统中传输，上述问题就会得到极大的改善。根据控制载波参数方式（幅度、相位、幅度）的不同，数字调制可分为频移键控和相移键控等^[2]。在当前数字通信系统的设计中，PSK得到了十分广泛的应用，频移键控方式有较强的抗干扰能力、较低的误码率和很高的传输效率。由于采用传统的BPSK调制方式在系统进行解调时，可能会发生相位模糊问题，而DPSK调制方式在有效解决该问题的同时还兼具BSPK恒定包络的优点，所以DPSK更适合作为卫星通信和现代无线移动通信的调制方式。并且，由传统的数字调制技术又发展衍生出了一些新型调制技术，如由传统的多进制幅移键控和多进制相移键控衍生的正交振幅调制、由多进制频移键控改进而来的最小频移键控及其改进型高斯最小频移键控和为解决码间串扰问题而提出正交频分复用等^[3]。

图1.1 软件无线电典型通用硬件体系

高速DA/AD

DUCDDC

FPGA

DSP

可编程信 息处 理模 块

通用多速率波形处理模块

与天线系统接口

信息安全模块

 可编程多功能接口模块

与其他信息系统接口

高速数据总线

宽带射频前端模块

1.3 本文主要工作以及内容安排

本文主要讲述了基于软件无线电思想，以FPGA为平台的DPSK调制解调系统的设计与仿真，其中包括用IQ同相正交调制技术实现DPSK调制、级联编码、同步技术及PCI接口通信等原理的研究和其在altera公司的仿真软件Quartus II以及专业仿真软件Modelsim上进行编译与仿真。

本文分为四个章节，每个章节的主要内容如下：

第一章：介绍了软件无线电技术和DPSK调制解调技术的发展现状及其在现代通信系统中的应用

第二章：对通信系统中涉及的采样、信道编码、数字调制技术和同步技术原理进行了详细的阐述；

第三章：介绍了各个模块设计与实现，并对其进行仿真验证；

第四章：对本次设计进行总结，分析各模块的性能。

第2章 DPSK调制解调系统介绍

数字通信系统与模拟通信系统相比，具有抗噪声性能强、安全性好和噪声不积累等诸多优点，相对于传统的模拟通信系统传输模拟信号，它是利用多进制的数字信号来传输信息的。数字通信系统的组成涉及到信源的编码和解码、数字调制和解调、同步技术以及加密和解密等技术问题。数字通信系统的设计流程如图2.1所示。

信源编码

信道编码

数字调制

数字解调

信道译码

信源解码

  信 宿

信 道

噪声

信

源

图2.1 数字通信系统模型

2.1信号采样理论

通信系统的输入信号一半为模拟信号，若将其通过树脂字通信系统传输到达信宿，则首先需要依次通过采样、量化、编码等过程，将模拟信号转换为适合在信道中传输的数字信号，从而消除或减少信源的冗余度，进而提高信息通信的有效性。通常，根据模拟信号的类型，采样定理分为低通信号采样定理和带通信号采样定理^[4]。

2.1.1低通信号采样定理

采样就是在一系列的离散点上对模拟信号抽取样值，这个过程在理论上可以视为该模拟信号和周期性的单位冲击脉冲相乘，一般采样模型如图2.2所示。

s(t)

c(t)

ẟ(t)

图2.2 信号采样模型

低通信号抽样定理描述为：若一个连续模拟信号s(t)的最高频率小于，那么用一个周期性脉冲序列对该模拟信号进行抽样时（序列的周期为），则可以根据这些抽样值来进行恢复模拟信号s(t)。

s(t)为输入的连续模拟信号，其频谱表示为S(ω)。ẟ(t)为周期性单位脉冲信号，周期为，角频率为，其频谱表示为ẟ(ω)，则：

（2.1）

（2.2）

c(t)是经过抽样处理后的离散序列，可以表示为：

（2.3）

根据频域卷积定理，c(t)的频谱C(ω)表示为：

（2.4）

根据式（2-4）可以得出，经抽样后的离散信号的频谱C(ω)是对抽样前模拟信号频谱S(ω)在频率轴上进行拓展，其拓展的周期为单位冲激序列的周期Ts。设输入模拟信号的频谱S(ω)如图2.3所示：

S(ω)

ω

0

图2.3 原始信号的频谱

则抽样后的离散序列的频谱函数C(ω)如图2.4所示：

C(ω)

ω

0

图2.4 抽样信号的频谱

根据图2.3和图2.4可得知，若想根据抽样信号来无失真地恢复原始模拟信号，则要求抽样信号的频谱C(ω)不能有重叠部分，即产生混叠，则根据图中经过搬移后的信号频谱频率关系，采样频率和信号频率的关系必须满足，即。在重建复原输入的模拟信号时，需要将抽样信号通过一个低通滤波器，滤波器的截止频率为设为（）。

2.1.2带通信号采样定理

若模拟信号的频带限制在和之间，则称此类类信号为带通信号。带通信号理论上也可以用低通信号的采样频率进行采样，但是采用这种方法使得采样频率过高难以实现，也会使进一步进行信号处理的难度加大。

与低通信号采样定理类似，带通信号采样定理描述为：带通模拟信号的频率分布在(,)上，即信号频谱的最低频率高于，最高频率低于，信号的带宽为，则此带通模拟信号的最低采样频率为，满足条件，其中n是的商小数点前的整数部分(n=1,2,…)，k是商的小数部分(0≤k＜1)。

假设输入的带通模拟信号的频谱函数 S(ω)如图2.5所示：

S(ω)

ω

0

图2.5 带通模拟信号频谱

则用最小采样频率采样后所得采样信号频谱C(ω)如图2.6所示:

ω

C(ω)

-2B

-B

0

B

2B

图2.6带通抽样信号频谱

2.2信道编译码原理

信号在数字通信系统中传输的过程中，难免会受到乘性噪声或加性噪声的影响。受这些干扰的影响，码元在传输时波形会受到破坏，在接收端进行解调时，可能会导致错误的判决。通常，乘性干扰造成的码间串扰问题可利用均衡技术来改善，通常我们对加性干扰采用差错控制编码技术来降低或减少其对传输信号的影响。差错控制技术主要包括检错重发、反馈校验、检错删除等，由于不同传输系统所采用的信道和所处的传输环境一般不同，需要采用不同的差错控制技术来进行纠错。差错控制编码又被称作纠错编码，编码方法有很多种，检查错误码元和纠正错误码元的能力也各有不同。为了快速方便的识别信息码元序列中的错误码元，需要在信息发送之前在码元序列中添加若干监督码元，这些监督码元不是任意的，而是与信息序列之间存在某种确定的函数关系，接收端就是根据这种确定的关系来发现和纠正错误码元。理论上，在信息序列中插入越多的监督码元，该编码方式的纠错检错能力就越强，但如果增加监督码元数目过多，会提高信息码元的冗余度、降低编码效率，要保证信息码元速率变，则需要提高码元传输的速率，从而导致系统带宽增大，进而引起信道中噪声功率逐渐增大、信噪比减小，最终又将导致系统接收码元中的错误码元增多，所以往往会根据实际需要来添加监督码元数目。

把信息序列分成独立的块进行处理和编码的纠错编码，称为分组码，与之对立的是非分组码。循环码作为线性分组码中非常重要的一种，是在代数理论上建立起来的，有着较强的纠错能力，而BCH（Bose，Chaudhuri，Hocguenghem分别是三个发明人的名字）码是一种被广泛应用的循环码，它能纠正多个错误码元。BCH码的出现使得码生成多项式和编码纠错能力之间产生了确切的联系，我们可以根据不同编码的纠错能力要求来建立码生成多项式，进而解决纠错编码的基本问题。下面将以RS（Reed-Solomon，分别是两个发明者的名字）码（BCH码）和卷积码（非分组码）及其级联形式进行讨论。

2.2.1 RS编译码介绍

RS码通常可以表示为RS(n,k)或RS(n,k,2t)， k表示k个多字节的输入数据流，2t表示由输入数据流生成的2t个多字节校验数据流，n表示码长。RS码有着较为全面的纠错检错能力，能够纠正随机和突发性的错误。它产生的码字本原多项式来源于有限域，也称伽罗华域，记为GF（）。RS的编码运算和译码运算都是在伽罗华域中完成的，在伽罗华域中“阶”定义为该域中的元素的数目，例如m阶伽罗华域可以表示成GF（m）^[5]。