基于DSP的信號解調(diào)QPSK

1、成績評定表學(xué)生姓名班級學(xué)號專 業(yè)電子信息工程課程設(shè)計題目信號解調(diào)（QPSK）評語組長簽字：成績?nèi)掌?年 月 日 課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 院信息科學(xué)與工程專 業(yè)電子信息工程學(xué)生姓名班級學(xué)號課程設(shè)計題目 信號解調(diào)（QPSK）課程設(shè)計目的與要求：（1）將模擬信號（QPSK調(diào)制）解調(diào)成數(shù)字信號。（2）對QPSK解調(diào)算法有初步的了解。（3）熟練使用CCStudio 3.1。工作計劃與進度安排:2016年 11月26日 選題目查閱資料2016年 12月03日 查閱資料2016年 12月05日 - 2016年 01月 07日 上機調(diào)試2017年 01月01日 撰寫課程設(shè)計報告、答辯指導(dǎo)教師： 年 月 日專業(yè)負責(zé)人

2、：年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長：年 月 日 沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計摘 要數(shù)字與模擬信號的調(diào)制解調(diào)是通信系統(tǒng)的核心。隨著目前 DSP芯片的廣泛應(yīng)用, 用軟件來實現(xiàn)數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)將變得更加方便快捷, 設(shè)備的微型化集成化也更容易達到。為了設(shè)計出一種適合無線傳輸?shù)幕鶐д{(diào)制解調(diào)單元(模塊 ), 以 TMS320C54x DSP芯片為基礎(chǔ), 對 QPSK解調(diào)的 DSP算法進行了研究, 重點討論軟件設(shè)計, 并通過仿真證明該算法能夠完成 QPSK解調(diào)的全部功能。關(guān)鍵詞：DSP ;TMS320C54x;QPSK;解調(diào)II 目 錄1 設(shè)計任務(wù)及目的11.設(shè)計任務(wù)12.設(shè)計目的12 設(shè)計原理13 QPSK解調(diào)的DSP

3、實現(xiàn)81. Main.c82. psk_asm.asm93. Qpsk.cmd114 結(jié)果125.結(jié)論與體會146 參考文獻15IV 信號解調(diào)（QPSK）1 設(shè)計任務(wù)及目的1.設(shè)計任務(wù)（1）將模擬信號（QPSK調(diào)制）解調(diào)成數(shù)字信號。（2）對QPSK解調(diào)算法有初步的了解。（3）熟練使用CCStudio 3.1。2.設(shè)計目的本設(shè)計的目的在于通過使用CCStudio3.1軟仿真來實現(xiàn)DSP中的QPSK解調(diào)過程，學(xué)會原理圖設(shè)計，了解QPSK解調(diào)算法以及解調(diào)過程。初步對QPSK解調(diào)進行程序設(shè)計，并在CCS開發(fā)環(huán)境下的軟件調(diào)試，同時也加深學(xué)生對A/D實現(xiàn)過程和設(shè)計過程的理解。2 設(shè)計原理現(xiàn)代通信的各個領(lǐng)域

4、均向數(shù)字化方向發(fā)展，解調(diào)技術(shù)也不例外?，F(xiàn)在針對QPSK調(diào)制方式，提出一種全新的數(shù)字解調(diào)算法。該算法允許本地載波由獨立的固定頻率振蕩器產(chǎn)生，不需要鎖相的反饋控制，而相干檢測的所有其它功能均由數(shù)字信號處理模塊完成。它的功能框圖如圖1所示。圖1 QPSK全數(shù)字解調(diào)框圖其中1是獨立的接收載波頻率，1/T是取樣頻率，T是QPSK的碼組寬度。最后的計算機模擬結(jié)果表明算法不僅能正確的解調(diào)QPSK信號，而且可以跟蹤載波的慢漂移。（一）QPSK解調(diào)方案1）全數(shù)字解調(diào)算法的提出參看上圖，接收信號和接收端載波進行正交相乘之后，按1/T速率進行取樣，則： （1）其中Ik、Qk為取樣時刻同相和正交通路的樣值，k是第k時

5、刻對應(yīng)QPSK碼的相位樣值，k=kT+o其中是收發(fā)兩端載波角頻率之差，T是QPSKM碼組寬度，o是初始相差。nI(k)、nQ(k)是同相、正交通道的噪聲樣值，它們也是呈高斯分布的白噪聲，從Ik、Qk的表達式中可以看到，Ik、Qk中包含了全部碼字信息及收發(fā)載波頻差的信息，于是可以采用數(shù)字信號處理方法來恢復(fù)碼源信息并估計出收發(fā)載波頻差。2）全數(shù)字解調(diào)算法的推導(dǎo)設(shè)收發(fā)載波角頻率差為，一般說載波飄移較慢，可以認(rèn)為它在一段時間內(nèi)不變，令=T, 則 （2）其中Ik、Qk是可以觀察的序列，k、待估計，由前式得 （3）其中n(k) 是k時刻相位噪聲。令則 （4）其中 （5）如果在收端時k做出了正確的判斷k，則

6、收發(fā)載波頻差的第k個觀察值 （6）規(guī)定取模2 運算的值域為（-，），通常這個觀察序列k采用Kalman一階預(yù)測算法，可以估計第k+1個k+1。如果已經(jīng)有第k個頻差的估計值，并假定估計無誤，則取 （7）由估計出的k就可以按差分規(guī)則得到k，于是可以判斷出它是QPSK哪一個碼組，從而恢復(fù)出QPSK信號的碼元信息序列。根據(jù)前面的分析可以得出如下數(shù)字信號處理框如圖2，它是一個交叉耦合估計方案。3）Kalman估計法估計載波頻差利用Kalman一步預(yù)測算法，可以得到載波頻差估計的Kalman濾波算法。 （8）圖2 QPSK全數(shù)字解調(diào)的數(shù)字信號處理框圖其中K為濾波器增益系數(shù)，是一個可調(diào)參數(shù)。 （9）從第四部

7、分計算機模擬結(jié)果可以看出，這里迭代初值0選取范圍較大，只要落在收斂范圍內(nèi)即可，一般以發(fā)射端標(biāo)稱頻率未初始。（二）QPSK全數(shù)字解調(diào)的噪聲性能分析1）算法對載波頻差估計的均值可以把坐標(biāo)參考系旋轉(zhuǎn)到k處，這樣噪聲可以看成試（r, ）的矢量，當(dāng)它為窄帶高斯白噪聲時， r是瑞利分布，是在（-，）上均勻分布。 （10）則有 （11）由此可以得 （12）又因噪聲是白色的，前后時刻不相關(guān)，即 （13）另外有： （14）因為在（-，）之間有mod= ，所以 （15）也就是說對收發(fā)載波頻差的觀察是無偏的。另外若在高信噪比條件下，k較大時，k接近，且抖動不大，則從Kalman預(yù)測公式中有 （16）2）算法對載波估

8、計值得方差圖3 加性噪聲干擾的角調(diào)制信號矢量設(shè)信號S（t）=cos(0t+),加性噪聲。 （17）它是零均值，則信號加噪聲成為 （18） 其腳調(diào)制信號矢量圖如上圖所示，則相位噪聲表達式為： （19）在高信噪比條件下在大部分時間里有Rn(t)<< ,所以 （20）令（t）=0，則 （21）因此相位的抖動近似可以看成是零均的?，F(xiàn)在再回過來看全數(shù)字解調(diào)算法中頻差觀察值。 （22）于是我們可以得到噪聲引起載波頻差觀察值的抖動方差為： （23）現(xiàn)在再看Kalman濾波后對頻差估計的方差，在高信噪比條件下，我們有估計k接近，且其抖動也不大，則可得出下式： （24）兩邊求方差（25）根據(jù)前面的推

9、導(dǎo)進一步得出：（26）再有，在k較大時，通過計算得出： （27）令平均信噪比，則 （28）即算法對頻差估計的抖動方差和輸入端信噪比成反比。3）算法誤碼率推導(dǎo)由前述算法可知 （29）在高信噪比，k足夠大時，上述三式可簡化為 （30）在前面的推導(dǎo)中已知n(k)為均零，因此k亦為高斯變量，相位估計也是高斯變量。 （31）令x為均零，方差的高斯變量，其概率分布 （32）設(shè)發(fā)送的序列為先驗等概，則由最小錯誤辨別準(zhǔn)則，x的判決區(qū)近似為及正確判決概率 （33）誤碼率 （34）3 QPSK解調(diào)的DSP實現(xiàn)1. Main.cextern void qpsk();  #in

10、clude "C54MATH.H" DATA x256; DATA y256;/正弦信號 DATA Pulse256;/被調(diào)信號 DATA PskSignal256;/QPSK調(diào)制信號DATA PskSignal01256; DATA RecMeg256; DATA RecSig256; #define N 256 void main()    I

11、nt i,j;for(i=0;i<N;i+)xi=i*0x1000;           sine(x,y,N); for(i=0;i<N;i+)    j=i/32;switch (j%4)          case 0:   Pulsei=-3; break; case 

12、1:   Pulsei=-1; break;  case 2: Pulsei=1; break; case 3: Pulsei=3; break;             /調(diào)用匯編函數(shù) qpsk qpsk(); for(i=0;i<N;i+) for(;);    2. psk_asm.asm  .title"psk_asm.as

13、m"   .global _qpsk  ;定義為全局變量，提供給C調(diào)用.global _y  ;C程序變量.global  _Pulse   C程序變量          .global  _PskSignal C程序變量          .mmregs &

14、#160;                  .text_qpsk:  rsbx CPL             stm  #8-1,AR2       循環(huán)變量 256

15、/32=8stm  #_y, AR4stm  #_Pulse, AR3stm  #_PskSignal, AR5loop:                           ld   *AR3, Abc

16、60;  phase0, AEQ 若為0狀態(tài)信號，則相移0 sub   #1, A   addm  #4, AR4                          bc  

17、60;phase1, AEQ 若為1狀態(tài)信號，則相移pi/2 sub   #1, Aaddm  #8, AR4 bc   phase2, AEQ 若為2狀態(tài)信號，則相移pi sub   #1, A addm  #12, AR4  bc   phase3, AEQ 若為3狀態(tài)信號，

18、則相移3*pi/2pskend:  addm #32, AR3 banz  loop, *AR2-                        ret   phase0: rpt   #32-1 mvdd&#

19、160; *AR4+, *AR5+ b  pskendphase1: rpt  #32-1   mvdd  *AR4+, *AR5+ addm  #-36,AR4                  b  pskend  phase

20、2: rpt  #32-1   mvdd  *AR4+, *AR5+                  addm #-40,AR4                

21、0;b  pskend phase3: rpt  #32-1   mvdd  *AR4+, *AR5+                   addm  #-44, AR4          

22、       b  pskend          .end 3. Qpsk.cmd-c       -l  rts.lib -l  c54math.lib -stack 0x200 -heap 0x200 MEMORY 

23、; PAGE 0:          INT_PM_DRAM:                     origin = 0080h,  length = 1000h   PAGE 1:&#

24、160;         INT_DM_1:                        origin = 1080h,  length = 01000h      &

25、#160;   SECTIONS          .text: > INT_PM_DRAM   PAGE 0          .cinit: > INT_PM_DRAM   PAGE 0     

26、;     .switch: > INT_PM_DRAM   PAGE 0          .data:  > INT_DM_1    PAGE 1          .stack: > INT_DM_1 &#

27、160;   PAGE 1          .bss: > INT_DM_1      PAGE 1          .sysmem: > INT_DM_1    PAGE 1    

28、      .const: > INT_DM_1     PAGE 1 4 結(jié)果仿真結(jié)果圖QPSK數(shù)字解調(diào)包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換、抽取或插值、匹配濾波、時鐘和載波恢復(fù)等 。在實際的調(diào)諧解調(diào)電路中，采用的是非相干載波解調(diào)，本振信號與發(fā)射端的載波信號存在頻率偏差和相位抖動，因而解調(diào)出來的模擬工、Q基帶信號是帶有載波誤差的信號。這樣的模擬基帶信號即使采用定時準(zhǔn)確的時鐘進行取樣判決，得到的數(shù)字信號也不是原來發(fā)射端的調(diào)制信號，誤差的積累將導(dǎo)致抽樣判決后的誤碼率增大，因此數(shù)字QP

29、SK解調(diào)電路要對載波誤差進行補償，減少非相干載波解調(diào)帶來的影響。此外，ADC的取樣時鐘也不是從信號中提取的，當(dāng)取樣時鐘與輸入的數(shù)據(jù)不同步時，取樣將不在最佳取樣時刻進行所得到的取樣值的統(tǒng)計信噪比就不是最高，誤碼率就高，因此，在電路中還需要恢復(fù)出一個與輸入符號率同步的時鐘，來校正固定取樣帶來的樣點誤差，并且準(zhǔn)確的位定時信息可為數(shù)字解調(diào)后的信道糾錯解碼提供正確的時鐘。校正辦法是由定時恢復(fù)和載波恢復(fù)模塊通過某種算法產(chǎn)生定時和載波誤差，插值或抽取器在定時和載波誤差信號的控制下，對A/D轉(zhuǎn)換后的取樣值進行抽取或插值濾波，得到信號在最佳取樣點的值，不同芯片采用的算法不盡相同，例如可以采用據(jù)輔助法(DA)載波相位和定時相位聯(lián)合估計的最大似然算法。QPSK是一種頻譜利用率高、抗干擾性強的數(shù)調(diào)制方式, 它被廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中. 適合衛(wèi)星廣播。 例如, 數(shù)字衛(wèi)星電視DVB2S 標(biāo)準(zhǔn)中, 信道噪聲門限低至4. 5 dB, 傳輸碼率達到45M bös, 采用QPSK 調(diào)制方式, 同時保證了信號傳輸?shù)男屎驼`碼性能. 通過本文介紹和程序示例可以清楚的看到QPSK解調(diào)在A/D中的作用。5.結(jié)論與體會 討論一種 QPSK解調(diào)的 DSP實現(xiàn)方案, 該方案利用 CCS及 MATLAB仿真已證明能夠?qū)崿F(xiàn)QPSK的解調(diào)功能。此算法可以應(yīng)用各種數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的基帶處理單元, 完