基于通用化平臺的多模解調器的研究與實現

吳毅杰 程慶林

（上海航天電子技術研究所 上海 201109）

基于通用化平臺的多模解調器的研究與實現

吳毅杰 程慶林

（上海航天電子技術研究所 上海 201109）

針對未來空間飛行器通信設備之間通信質量和靈活性越來越高的要求，對多功能、高可靠、自適應全數字化接收機的需求更加迫切；本文結合軟件無線電（SDR）技術分析了PSK（Phase-Shift Keying）信號的解調模型及其算法特點；研究發現：可基于通用的硬件平臺通過上位機軟件下發指令完成兩種模式的解調器之間的無縫切換；本文結合Matlab、ISE、Modelsim等EDA工具，在自主開發的硬件平臺上進行了實現，并完成了相關性能指標的測試。

通用平臺；多模式；數字解調器；FPGA

引言

解調器是數字化接收機中的最為關鍵的信號處理模塊。現代無線通信中，相移鍵控（Phase-Shift Keying，PSK）調制方式由于其恒定的包絡、在給定信號電平中有最低誤碼率、高效率等特點被廣泛應用在軍事和商業通信系統中，目前最廣泛采用的PSK調制方式主要有：BPSK、OQPSK、QPSK等。其中BPSK信號調制解調實現最為容易，在我國第二代移動通信的窄帶CDMA（IS-95）系統中得到了應用。QPSK調制方式相對BPSK調制擁有更高的頻帶利用率；相對于OQPSK調制，它又較易于實現，被應用到絕大多數高速數字衛星系統中，如美國NASA的跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS）、日本地球資源衛星（JERS）以及我國的資源1號衛星，都采用QPSK調制方式。本文通過分析兩種PSK信號的解調模型的特點，在同一硬件平臺上實現一種雙模解調器，并最終應用到載人航天飛行器的空空通信機、空空通信地面測試設備和探月工程測試設備中。

1 PSK解調算法

1.1 解調模型

解調器基本結構主要包括：中頻采A/D、數字下變頻模塊、基帶時鐘恢復模塊、差分解碼模塊、外部時鐘和外圍參數設置模塊構成。

1.2 鑒相算法

經典的Costas環的中的鑒相器是乘法器，該環路被廣泛應用在各種數字通信解調接收系統中。但是經典Costas環只能解調BPSK信號和UQPSK信號，要實現QPSK解調就必須考慮使用其他的環路。

1.3 數字下變頻器

下變頻器主要由三個部分組成：本地振蕩器，數字混頻器，低通濾波器。

NCO的原理和結構與直接數字頻率合成的原理相同，NCO也是從相位概念觸發直接合成所需的正/余弦波形將采樣頻率fclk均分為2N份，輸出頻率是頻率分辨率的s倍，s是頻率控制字（Frequency Control Word，FCW），則：

數字混頻器其實就是一個乘法器，低通濾波器濾除二次倍頻分量。

1.4 環路濾波器

環路濾波器有很多類型，包括RC濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器。

2 Simulink仿真

2.1 載波恢復環路建模

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，每一個模塊都有相應的輸入/輸出端口，部分模塊還有獨立的參數設計界面。

2.2 建模仿真結果

調整發送端中的載波頻率：設置為74.92MHz（即頻率偏移為80kHz），運行兩種解調模型。觀察解調前后I、Q的信號波形。

3 系統實現

3.1 硬件平臺

考慮到解調器的多模設計，硬件電路中的元件選擇需要注意的主要包括：AD、FPGA和晶振。模/數轉化器（ADC）使用的是ADI公司生產的AD6645，FPGA使用的是Xilinx公司的300萬門FPGA-XC2V3000，系統的采樣率需要根據不同的解調模式發生改變，因此配置頻率為45.8MHz和56.9MHz兩片晶振。

3.2 FPGA軟件設計

FPGA軟件是解調器的核心，解調系統低通濾波器、數控振蕩器、數字鑒相器、環路濾波器、差分解碼器、并串轉換器等模塊組成。

3.3 FPGA軟件功能仿真

在Testbench中讀入利用Matlab制作的數字化信號源數據，模擬ADC采樣功能。

（1）DBPSK解調模式功能仿真；

（2）DQPSK解調模式功能仿真。

3.4 在線測試與分析

主要就以下三個指標進行解調器的在線測試：①可跟蹤的中頻信號頻率范圍測試；②解調系統的抗干擾能力測試，在中頻信號中混入不同信噪比的加性白噪聲，在保證一定誤碼率水平的情況下確定解調系統所能夠承受的信噪比下限；③接收的動態范圍即中頻信號的功率范圍測試。

4 結束語

軟件無線電技術提出的最終目的是實現通信系統的智能化和硬件平臺的通用化、小型化集成設計。本文基于SDR技術研究并實現了一種模式可無縫切換的全數字化解調器。利用可視化建模平臺建立了相應的解調模型，定量分析仿各模型靜態和動態參數，對常規的設計方法提出了復用/優化設計方法，大大減少了FPGA邏輯資源的使用，給出了多模解調器功能仿真結果。文章還重點對解調器的頻率跟蹤性能、抗噪聲性能和接收動態范圍等表征解調器重要性能的指標進行了定量評估和分析。

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1004-7344（2016）12-0296-01

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