軟件無(wú)線電臺(tái)中QPSK調(diào)制解調(diào)的算法與仿真

1、學(xué) 號(hào):3042003116 中國(guó)人民解放軍體育學(xué)院畢 業(yè) 論 文軟件無(wú)線電中QPSK調(diào)制解調(diào)的 算法與仿真THE REALIZE OF ALGORITHM AND EMULATION ABOUT MODULATOR AND DEMODULATOR ON QPSK IN SOFTWARE DEFINED READIO 姓 名 鐘 穎 浩 專 業(yè) 通 信 工 程 指導(dǎo)教員 王 進(jìn) 2006年12 月15 日軟件無(wú)線電中QPSK調(diào)制解調(diào)的算法與仿真摘 要：軟件無(wú)線電是一種全新的無(wú)線電通信體系結(jié)構(gòu)，其基本思想是把硬件作為無(wú)線通信的基本平臺(tái)，而把盡可能多的無(wú)線通信功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著半導(dǎo)體和微電子技

2、術(shù)的發(fā)展，在中頻完成全數(shù)字化解調(diào)已成為可能。本文就是對(duì)70 MHz的中頻QPSK 信號(hào)進(jìn)行直接帶通采樣，然后送入已寫(xiě)入載波同步算法和定時(shí)同步算法的FPGA中，從而完成對(duì)QPSK信號(hào)的全數(shù)字化解調(diào)，由于采用了可動(dòng)態(tài)配置的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)QPSK信號(hào)的解調(diào)，因此只需通過(guò)軟件對(duì)其參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，就可以完成對(duì)多種數(shù)據(jù)傳輸率、多種中頻載波的QPSK信號(hào)的解調(diào)。關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電，QPSK解調(diào)，載波同步，定時(shí)同步，數(shù)字鎖相環(huán)，MATLAB仿真THE REALIZE OF ALGORITHM AND EMULATION ABOUT MODULATOR AND DEMODULATOR ON QPSK IN

3、SOFTWARE DEFINED READIOAbstract：Software defined radio is a kind of new wireless communication system structure，the main principle was using the hardware as a basic platform of wireless communication，implement function of the wireless communication using software. In the paper，direct band pass sampl

4、ing was used to QPSK signal with 70 MHz IF，and complete demodulation with FPGA which has carrier recovery and timing synchronization algorithms，using reconfigurable device. You can demodulate multi-rate & multi-IF-Carrier after you change some parameter properly. Keywords：QPSK demodulation，carrier r

5、ecovery，timing synchronization，DPLL，MATLAB simulinkKey words：software defined radio，QPSK demodulation，carrier recovery，timing synchronization，DPLL，MATLAB simulink目 錄1 前言42 軟件無(wú)線電421 軟件無(wú)線電的種類422軟件無(wú)線電的概念523 軟件無(wú)線電的特點(diǎn)53 數(shù)字鎖相環(huán)的特性與結(jié)構(gòu)64 QPSK載波恢復(fù)環(huán)的實(shí)現(xiàn)641鑒相誤差的提取742 鑒相增益的計(jì)算743 環(huán)路濾波器的參數(shù)設(shè)置85QPSK定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)96 Matlab仿真及

6、全數(shù)字QPSK解調(diào)器在FPGA中實(shí)現(xiàn)107 結(jié)論121 引言在衛(wèi)星數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于星上發(fā)射機(jī)功率受限，通常采用抗干擾能力較強(qiáng)的PSK數(shù)字調(diào)制方式，QPSK調(diào)制便是其中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字調(diào)制方式之一。按照信號(hào)檢測(cè)理論，對(duì)QPSK 調(diào)制信號(hào)的平均誤碼率最小的最佳接收方式為采用鎖相環(huán)路的相干接收方式。QPSK調(diào)制信號(hào)是抑制載波的信號(hào)，無(wú)法用常規(guī)的鎖相環(huán)或窄帶濾波器直接提取參考載波，但它又不同于一些連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)，其載波相位變化只能取有限的幾個(gè)離散值，這就隱含了參考載波的相位信息，所以，可以通過(guò)非線性處理，消除信號(hào)中的調(diào)制信息，產(chǎn)生與原載波相位有一定關(guān)系的分量，然后再提純?cè)撔盘?hào)，恢復(fù)已被抑制的載

7、波信號(hào)，進(jìn)而完成信號(hào)的相干解調(diào)。目前，常用的QPSK載波恢復(fù)方法有：平方環(huán)法，鎖相環(huán)法，反調(diào)制環(huán)法。在本文中，作者采用的是數(shù)字鎖相環(huán)法，它具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠、載波恢復(fù)算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。全數(shù)字QPSK解調(diào)器的核心問(wèn)題在于對(duì)載波和定時(shí)的同步，其性能的好壞將直接對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此所有的設(shè)計(jì)都是圍繞這兩個(gè)同步來(lái)進(jìn)行的，本解調(diào)系統(tǒng)中的兩個(gè)同步都是采用反饋方式的鎖相環(huán)來(lái)完成的。針對(duì)載波同步用的是COSTAS數(shù)字鎖相環(huán)，而在定時(shí)同步中采用的是基于米勒- 穆勒定時(shí)誤差提取算法的數(shù)字鎖相環(huán)，兩種方法分別通過(guò)提取載波相位誤差和定時(shí)同步誤差，并分別用于控制各自的數(shù)控振蕩器，從而得到與發(fā)射端相干的載波和定時(shí)同步時(shí)

8、鐘。文章最后，給出了載波和定時(shí)的同步的仿真結(jié)果及具體的實(shí)現(xiàn)方法。2 軟件無(wú)線電2.1 軟件無(wú)線電的種類無(wú)線通信在現(xiàn)代通信中占據(jù)著極其重要的位置，幾乎任何領(lǐng)域都使用無(wú)線通信，包括有商業(yè)、氣象、金融、軍事、工業(yè)、民用等。我們可從通信系統(tǒng)、調(diào)制方式、多址方式等幾方面可看到無(wú)線通信系統(tǒng)種類的繁多。類 別種 類通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線尋呼系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)等調(diào)制方式AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM等多址方式時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（ FDMA）和碼分多址（CDMA）等各種通信系統(tǒng)由于自身的特點(diǎn)而適用于各種特定的場(chǎng)合，例如

9、：短波電臺(tái)適合遠(yuǎn)距離，其所需的發(fā)射功率不大，傳輸?shù)摹爸欣^系統(tǒng)”電離層不會(huì)被摧毀；衛(wèi)星通信能傳播高質(zhì)量的信息，所能提供的頻帶很寬。微波通信抗干擾能力強(qiáng)，適合大量的數(shù)據(jù)傳輸，但只能在點(diǎn)與點(diǎn)之間傳輸，傳輸距離又有一定的限制。由于無(wú)線通信的設(shè)備簡(jiǎn)單、便于攜帶、易于操作、架設(shè)方便等特點(diǎn)，在軍事和民用通信領(lǐng)域中都是不可缺的重要通信手段。然而，電臺(tái)往往是根據(jù)某種特定的用途而設(shè)計(jì)的，功能單一，有些電臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)相似，而信號(hào)特征差異很大。比如，工作的頻段不同，調(diào)制方式不同，波形結(jié)構(gòu)不同，通信協(xié)議不同，數(shù)字信息的編碼方式、加密方式不同等等。電臺(tái)之間的這些差異極大地限制了不同電臺(tái)之間的互通互連。軟件無(wú)線電決定性的步

10、驟，是將A/D（和D/A）變換器盡量向射頻端靠攏。應(yīng)用寬帶天線或多頻段天線，并將整個(gè)中頻頻段作A/D變換，這之后整個(gè)的處理都用可編程數(shù)字器件特別是軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們可看出，這樣一個(gè)體系結(jié)構(gòu)具有非常大的通用性，對(duì)解決上面提到的問(wèn)題有很大的潛力，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段、多調(diào)制方式和多址方式，構(gòu)成多體制的通用無(wú)線通信系統(tǒng)。2.2 軟件無(wú)線電的概念所謂軟件無(wú)線電，其關(guān)鍵思想是構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等，用軟件來(lái)完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線通信系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)這種

11、電臺(tái)是可用軟件控制和再定義的電臺(tái)，選用不同軟件模塊就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，而且軟件可以升級(jí)更新。其硬件也可以像計(jì)算機(jī)一樣不斷地更新模塊和升級(jí)換代。由于軟件無(wú)線電的各種功能是用軟件實(shí)現(xiàn)的，如果要實(shí)現(xiàn)新的業(yè)務(wù)或調(diào)制方式只要增加一個(gè)新的軟件模塊即可。同時(shí)，由于它能形成各種調(diào)制波形和通信協(xié)議，故還可以與舊體制的各種電臺(tái)通信，大大延長(zhǎng)了電臺(tái)的使用周期，也節(jié)約了成本開(kāi)支。2.3 軟件無(wú)線電的特點(diǎn)（1）具有很強(qiáng)的靈活性。軟件無(wú)線電可以通過(guò)增加軟件模塊，很容易地增加新的功能。它可以與其它任何電臺(tái)進(jìn)行通信，并可以作為其它電臺(tái)的射頻中繼?？梢酝ㄟ^(guò)無(wú)線加載來(lái)改變軟件模塊或更新軟件。為了減少開(kāi)支，可以根據(jù)所需功能的強(qiáng)弱

12、，取舍選用的軟件模塊。（2）具有較強(qiáng)的開(kāi)放性。軟件無(wú)線電由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展。軟件也可以隨需要而不斷升級(jí)。軟件無(wú)線電不僅能和新體制電臺(tái)通信，還能與舊式體制電臺(tái)相兼容。這樣，既延長(zhǎng)了舊體制電臺(tái)的使用壽命，也保證了軟件無(wú)線電本身有很長(zhǎng)的生命周期。3 數(shù)字鎖相環(huán)的特性與結(jié)構(gòu)在相干解調(diào)技術(shù)中，要求在接收端提供一個(gè)參考載波，此載波應(yīng)與信號(hào)載波同頻同相。從接收信號(hào)中提取相干載波有兩種方法，一種是在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)輔助傳送一個(gè)載波信號(hào)，稱為插入導(dǎo)頻法；另一種方法是直接從已調(diào)信號(hào)中提取，稱為直接法。相移鍵控信號(hào)和抑制載波的雙邊帶信號(hào)等，在其信號(hào)中并不含載頻分

13、量，用普通的鎖相環(huán)無(wú)法提取，要設(shè)計(jì)特殊的鎖相環(huán)路，即所謂抑制載波跟蹤環(huán)路，才能完成從中提取相干載波的功能。本解調(diào)器采用鎖相環(huán)方式，它具有3方面優(yōu)越特性：載波跟蹤特性，即鎖相環(huán)路對(duì)輸入信號(hào)的相位變化而言，可等效為一個(gè)窄帶濾波器，不但能有效地利用窄帶特性來(lái)濾除噪聲與干擾，而且環(huán)路輸出能跟蹤輸入信號(hào)的載波變化，從已調(diào)的輸入信號(hào)中提取出純凈的載波；調(diào)制跟蹤特性，適當(dāng)設(shè)計(jì)環(huán)路可使輸入信號(hào)調(diào)制頻譜落在環(huán)路的通頻帶內(nèi)，環(huán)路輸出頻率和相位能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入信號(hào)的頻率與相位的調(diào)制變化；低門(mén)限特性，鎖相環(huán)路不像一般的非線性器件那樣，門(mén)限取決于輸入載噪比，而是由環(huán)路信噪比決定，一般環(huán)路通頻帶總比環(huán)路輸入端的前置通頻

14、帶窄得多，較高的環(huán)路信噪比可取得低門(mén)限特性，這樣，將環(huán)路設(shè)計(jì)成窄帶特性，就可以把淹沒(méi)在噪聲中的微弱信號(hào)提取出來(lái)，將環(huán)路用于解調(diào)調(diào)頻、調(diào)相信號(hào)時(shí)，可取得門(mén)限擴(kuò)展效果，并使其誤碼率降低。全數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器3 部分構(gòu)成，其中鑒相器用于提取鎖相環(huán)的輸入與輸出信號(hào)之間的相位誤差信號(hào)，環(huán)路濾波器則對(duì)相位誤差信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，之后用于控制數(shù)控振蕩器產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。4 QPSK載波恢復(fù)環(huán)的實(shí)現(xiàn)本文采用的科斯塔斯環(huán)（COSTAS）是載波抑制環(huán)路的一種重要形式，科斯塔斯環(huán)去除了在載波頻率分量上難以實(shí)現(xiàn)的平方電路，而用一個(gè)乘法器和相對(duì)簡(jiǎn)單的低通濾波器代替，具有原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)

15、。QPSK信號(hào)的頻譜中不包含有載頻及其倍頻分量，不能直接利用載波跟蹤環(huán)來(lái)提取載波，必須運(yùn)用非線性變換將QPSK 信號(hào)中的載波信息變換成載波分量，再用載波跟蹤環(huán)來(lái)提取出來(lái)，作相干解調(diào)載波使用，具體方法如下。4.1 鑒相誤差的提取在高斯加性白噪聲的信道中，數(shù)字化后的QPSK中頻信號(hào)可以表示為：I(k)=a(k)cos(ck+0)-b(k)sin(ck+0)+nI(k)Q(k)=b(k)cos(ck+0)+a(k)sin(ck+0)+nQ(k) (1) 其中：k = 0，1，2，c為中頻載波頻率；0為接收端載波的初始相位；a（k），b（k）為發(fā)送的碼元信號(hào)，（a（k），b（k）21，1；nI（k），

16、nQ（k）分別為同相和正交支路的噪聲。假定數(shù)控振蕩器所產(chǎn)生的相干載波為cos（ck+），為鎖相環(huán)對(duì)載波相位的估計(jì)，若暫不考慮（1）式中的噪聲項(xiàng)，則經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻和匹配濾波器后，有：I（k）=a（k）cos（）+b（k）sin（）Q（k）=b（k）cos（）-a（k）sin（） （2）I（k），Q（k）分別為接收端恢復(fù)的兩路同相和正交數(shù)字基帶信號(hào)，=0-為調(diào)制載波與相干載波的相位差，由上式可以看出I（k），Q（k）兩路數(shù)字基帶信號(hào)中包含有相位誤差信息，科斯塔斯環(huán)的鑒相器通過(guò)下式便可得到相位誤差e（k）：e（k）=I（k）sign（Q（k）-Q（k）sign（I（k）（3）其鑒相特性如下：e（k）

17、=- 2sin - -3/42cos - 3/4 -/42sin -/4/4-2cos /43/4-2sin 3/4 （4）4. 2 鑒相增益的計(jì)算當(dāng)載波同步上以后，較小，（31），此時(shí)有：I（k）=a（k）+b（k）Q（k）=b（k）-a（k） （5）此時(shí)下式成立：Sign(I(k)=signa(k)sign（Q（k）=signb(k）將其代入（3）式，得：e（k）=I（k）signb（k）- Q（k）signa（k） （6）又因?yàn)椋╝（k），b（k）21，1，所以將4種情況分別代入（6）式，得： e（k）= 2此時(shí)，鑒相增益kp=2。4. 3 環(huán)路濾波器的參數(shù)設(shè)置在所有的參數(shù)設(shè)置當(dāng)中，有關(guān)

18、環(huán)路濾波器的參數(shù)設(shè)置極為關(guān)鍵，在本方案中所采用的是二階環(huán)路濾波器，即比例積分型濾波器，其傳遞函數(shù)為： F（s）= k1+k2/sk1，k2的選取決定了鎖相環(huán)路等效噪聲帶寬BN的大小，而B(niǎo)N又決定了整個(gè)鎖相環(huán)的鎖定時(shí)間和跟蹤精度。鎖定時(shí)間分析：鎖相環(huán)路在正常工作時(shí)，環(huán)路首先進(jìn)行頻率鎖定，然后進(jìn)行相位鎖定，因此環(huán)路鎖定時(shí)間TLOCK約等于頻率鎖定時(shí)間TFL與TPL相位鎖定時(shí)間之和：TLOCKTFL + TPL （6）其中，頻偏為f 的頻率鎖定時(shí)間為：TFL4 （f）2/BN3 （7）而相位鎖定時(shí)間為：TPL1.3/BN （8）將（7）、（8）兩式代入（6）式，得：TLOCK4 （f）2/BN3/

19、1.3/BN （9）采用二階環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)的捕獲帶寬為：B(221/2) BN4 B6BN （10）由（9）、（10）兩式（為鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)）可以看出，鎖相環(huán)路的鎖定時(shí)間與等效噪聲帶寬BN成反比，捕獲帶寬與BN成正比。跟蹤精度分析：在鎖相環(huán)路中，相位跟蹤性能是用相位的方差來(lái)定義的，相位方差e2=E|-|，在線性鎖相環(huán)中，與功率為Pin的輸入信號(hào)共同進(jìn)入鎖相環(huán)路的還有功率譜密度為N0/2W/Hz的高斯加性白噪聲，此時(shí)的相位方差 e22e=N0Bn/Pin，因?yàn)殒i相環(huán)的輸入噪聲功率等于N0Bn，而Pin/N0Bn是鎖相環(huán)的環(huán)路信噪比，因此，在高斯加性白噪聲信道的線性鎖相環(huán)中，跟蹤相位誤差的

20、方差與環(huán)路輸入信噪比成反比。由此，等效噪聲帶寬BN越寬，則環(huán)路的捕獲霎時(shí)間的越少，但與此同時(shí)環(huán)路的跟蹤誤差也越大，因此，既要環(huán)路快速捕獲，同時(shí)又想讓環(huán)路的跟蹤誤差小，是不可能的，在實(shí)際應(yīng)用中，只能根據(jù)系統(tǒng)的要求以及信號(hào)的信噪比進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼壑?。在本方案中，設(shè)計(jì)要求可捕獲的最大頻偏為250kHz，在滿足此條件的情況下，盡量使環(huán)路的跟蹤誤差降到最小，即對(duì)環(huán)路濾波器系數(shù)k1、k2進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取，盡可能降低相位方差。環(huán)路濾波器系數(shù)k1，k2的計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定BN，N，然后將其代入下式：n = BNTs/（N（+1/4） （11）其中Ts為碼元時(shí)間（間隔）；為鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)，通常情況下取1，在本仿

21、真中其取值為0.707；N為每個(gè)符號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。計(jì)算出n后，將它代入（12）、（13）式，即可得到k1，k2的值。在二階數(shù)字鎖相環(huán)路中，有：k0kpk1=4n/（1+2n +n2） （12）k0kpk2=4n2/（1 + 2n +n2n） （13）BN為鎖相環(huán)路的等效噪聲帶寬；kp為鑒相增益；k0為數(shù)控振蕩器增益。5 QPSK定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的定時(shí)同步提取是數(shù)字通信中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在本QPSK解調(diào)器中，首先建立了載波與副載波的同步，進(jìn)行相干解調(diào)，獲得數(shù)字基帶信號(hào)，然后建立定時(shí)同步以確定每一個(gè)數(shù)字碼元的起止時(shí)刻，使之能對(duì)數(shù)字信息做出正確的判決。由于在接收到的數(shù)字基帶信號(hào)中含有定時(shí)同步信號(hào)的

22、信息，這樣通過(guò)對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)的適當(dāng)運(yùn)算，提取出定時(shí)誤差，并將此誤差用于控制數(shù)控振蕩器，就可恢復(fù)出發(fā)射端的定時(shí)信號(hào)，這種通過(guò)用鎖相環(huán)路直接從接收的數(shù)字基帶信號(hào)中提取定時(shí)同步信號(hào)的技術(shù)與平方環(huán)相比，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、抗擾度等方面來(lái)看都更加有效。定時(shí)同步的首要問(wèn)題在于定時(shí)誤差的提取，目前常用的3種方法為：早遲門(mén)算法、Gardner算法和米勒-穆勒算法，其中，Gardner算法要求每個(gè)符號(hào)至少有兩個(gè)采樣點(diǎn)，只有它在進(jìn)行定時(shí)同步提取時(shí)對(duì)載波相位不敏感，因而得以廣泛使用；早遲門(mén)算法要求每個(gè)符號(hào)不少于3個(gè)采樣點(diǎn)，這就使其無(wú)法適應(yīng)高速率的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)；米勒-穆勒算法在計(jì)算定時(shí)誤差時(shí)所要求的采樣點(diǎn)最少，每個(gè)

23、符號(hào)只需要1個(gè)采樣即可，但它對(duì)載波相位敏感，所以要求在定時(shí)同步前必須完成載波同步。本方案先獨(dú)立完成載波同步，然后再進(jìn)行定時(shí)同步，所以在進(jìn)行定時(shí)同步時(shí)就采用了效率最高的米勒-穆勒算法，它是一種基于判決的定時(shí)誤差提取算法，定時(shí)誤差的計(jì)算方法為：e（k）= x（k）a（k-1）-x（k-1）a（k） （13）其中x（k）為當(dāng)前碼元；x（k-1）為前一碼元；a（k）為當(dāng)前碼元的判決值；a（k-1）為對(duì)前一碼元的判決。定時(shí)誤差經(jīng)定時(shí)同步環(huán)的環(huán)路濾波器后，對(duì)定時(shí)同步環(huán)的數(shù)控振蕩器輸出的定時(shí)同步信號(hào)進(jìn)行頻率和相位調(diào)整，從而恢復(fù)出發(fā)射端的定時(shí)信號(hào)。在定時(shí)同步環(huán)當(dāng)中，除了定時(shí)誤差提取模塊外，環(huán)路濾波器以及數(shù)控振

24、蕩器的結(jié)構(gòu)與科斯塔斯載波恢復(fù)環(huán)中的完全一致。6 MatIab仿真及全數(shù)字QPSK解調(diào)器在FPGA中的實(shí)現(xiàn)在載波同步和定時(shí)同步算法確定后，使用MATLAB的SIMULINK對(duì)全數(shù)字QPSK解調(diào)器進(jìn)行了仿真，仿真模塊框圖如圖1所示。根據(jù)實(shí)際使用情況，參數(shù)的選取如下：中頻為70 MHz，數(shù)據(jù)速率為1 Mbps，AD采樣速率為40.96 Msps，對(duì)中頻QPSK信號(hào)采樣后，其載波頻率被搬移到11.92 MHz，因此此時(shí)所要恢復(fù)的載波頻率為11.92 MHz，最大捕獲頻偏為250kHz。在確定各項(xiàng)指標(biāo)后，經(jīng)計(jì)算得到載波恢復(fù)環(huán)的k1取13124，k2取78.7，圖4是在將QPSK 信號(hào)載波頻率設(shè)置為70.

25、1 MHz時(shí)，即載波頻率偏移為100 kHz時(shí)，載波鎖相環(huán)的仿真結(jié)果，從圖4（a）可知載波鎖相環(huán)經(jīng)過(guò)大約7個(gè)碼元時(shí)間處獲得了載波的同步，此后的鑒相器輸出的相位誤差在零值上波動(dòng)，圖4（b）和圖4（c）分別是數(shù)字下變頻經(jīng)升余弦濾波器后的同相和正交的數(shù)字基帶信號(hào)，從圖上可以直觀地看出，載波鎖定后，I，Q兩路數(shù)字基帶信號(hào)波形輸出正常，仿真結(jié)果表明，此鎖相環(huán)路的最大捕獲帶寬為260 kHz。圖1 QPSK 解調(diào)器仿真模塊框圖圖5為在加了100 kHz載波頻偏后，定時(shí)同步環(huán)的K1取10937，K2取21.8時(shí)，定時(shí)同步的仿真結(jié)果。圖1（a）表明在載波未鎖定時(shí)，定時(shí)同步也無(wú)法鎖定，但幾乎在載波同步鎖定的同時(shí)

26、，定時(shí)同步也得到鎖定，之后定時(shí)誤差也穩(wěn)定在零附近，圖5（b）和圖5（c）分別為同相數(shù)字基帶信號(hào)和用定時(shí)同步時(shí)鐘對(duì)它進(jìn)行采樣后的輸出。圖4 QPSK 解調(diào)器載波同步仿真波形 圖5 QPSK 解調(diào)器定時(shí)同步仿真波形本仿真所用的匹配濾波器是升余弦濾波器，它用于對(duì)數(shù)字下變頻后的基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，它能夠在一定程度上消除碼間串?dāng)_，由于它的低通特性，同時(shí)也能夠?yàn)V除帶外噪聲和基帶信號(hào)的諧波分量。在具體的硬件實(shí)現(xiàn)中，采用了AD6644對(duì)已經(jīng)過(guò)抗混疊濾波的中頻QPSK信號(hào)進(jìn)行帶通采樣，采樣速率固定為40.96 Msps，采樣后的數(shù)據(jù)直接輸入到Xilinx的XC2V1000的FPGA中進(jìn)行全數(shù)字化的載波同步和定時(shí)同步，完成QPSK的解調(diào)。在由仿真結(jié)構(gòu)到FPGA的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于受到硬件資源的限制，在FPGA只能進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，因此要對(duì)仿真的參數(shù)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行一定的限制，將其轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)表示形式。此外，在具體模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，可以使用System Generator提供的IP核，如：在進(jìn)行數(shù)字下變頻時(shí)，要進(jìn)行大量的乘法運(yùn)算，這些運(yùn)算可以采用FPGA中的專用乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在數(shù)控振蕩器實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，應(yīng)使用查找表結(jié)構(gòu)，從而避開(kāi)正、余弦函數(shù)的運(yùn)算，提高運(yùn)算速度和效率。本