基于FPGA的部分響應CPM信號解調器的設計

基于FPGA的部分響應CPM信號解調器的設計在眾多的調制方式中，連續(xù)相位調制信號(CPM信號)具有恒包絡特性，它用于承載信息的相位軌跡連續(xù)變化，因此該類信號擁有較高的帶寬效率。基于CPM信號的恒包絡、帶寬緊湊和能量利用率高等優(yōu)點，近幾年來，它受到廣泛的研究與應用。文中分析了二進制，部分響應L=2的連續(xù)相位調制方式，提出了一種該調制方式下解調器的FPGA設計方法，并運用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)。1CPM的基本原理連續(xù)相位調制信號可以用式(1)表示：

式(1)中，bE表示信號的碼元能量，T是碼元間隔，

即表示信號幅度。cf是載波頻率，φ(t,I)是帶有傳輸信息的信號相位函數(shù)，其中I表示發(fā)生的符號序列。φ(t,I)的表達式如下：

其中nI是M(M=2,4,8,16……)進制的符號信息，取值為{±1,±3,……,±(M-1)}。文中M為二進制調制，nI的取值為+1、-1。h是調制指數(shù)，g(t)是成形脈沖函數(shù)。脈沖函數(shù)g(t)采用升余弦脈沖RC：

式(3)中，L又稱為關聯(lián)長度。根據(jù)式(2)計算CPM信號的基帶相位，根據(jù)相位計算基帶信號的I/Q兩路，之后使用兩路信號相加就可以得到調制后的CPM信號，見圖1。

圖1CPM信號調制2CPM解調模塊的原理及其實現(xiàn)2.1解調器實現(xiàn)原理對CPM信號的接收、解調，常采取的步驟為：解調-最大似然序列估計-Viterbi譯碼-判決。首先將接收到的復包絡信號分為I,Q兩路，下變頻為基帶信號，分別與cos(ψ(t,a))和sin(ψ(t,a))相關后相加，從而得到節(jié)點的度量值。對于t時刻每個狀態(tài)，可以根據(jù)其輸入值的不同，計算來自前一級節(jié)點的兩條路徑的路徑度量，并分別加上前一級節(jié)點的節(jié)點度量，然后從中選擇一個最小的度量值作為節(jié)點度量，并存儲前一級節(jié)點的信息。2.2解調器實現(xiàn)框圖這里仿真采用二進制2RC的調制方式，根據(jù)Viterbi譯碼方式可知，調制信號共有8個狀態(tài)，將這些狀態(tài)分別編碼為000，001，010，011，100，101，110，111。輸入數(shù)據(jù)與狀態(tài)間轉移關系見表1。筆者在設計中將其分為四個模塊：分支度量模塊、加比選模塊、回溯模塊和控制模塊。其結構設計如圖2所示。

圖2解調過程(1)分支度量模塊此模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計算分支度量值。在FPGA設計中，預先將每種基準狀態(tài)抽樣時刻的值存入STD寄存器中，在計算分支度量時通過查表得到基準狀態(tài)的值。將輸入I,Q兩路數(shù)據(jù)進行串/并轉換，得到一個碼元持續(xù)時間內的調制信號后，與每種基準狀態(tài)的抽樣值相乘并相加，從而得到I,Q兩路的路徑度量值。最后將I,Q兩路度量值相加，便可以得到各狀態(tài)的分支度量值。(2)加比選ACS模塊此模塊分為兩部分：①計算路徑度量值;②選擇當前時刻最佳路徑。當前狀態(tài)的路徑度量值為該狀態(tài)下所有可能的路徑度量值中的最大值。最佳路徑為最大路徑度量值對應的上一狀態(tài)。在設計中采用確定CPM調制的起始狀態(tài)的方法。復位時將起始狀態(tài)的路徑度量值賦值為0;將其他狀態(tài)的路徑度量值賦值為一個較小的負數(shù)。采用這種方式有效避免解調時起始狀態(tài)的不確定性。CPM的解調在一定的譯碼數(shù)量后，路徑度量值的存儲器便會飽和溢出。該設計采用一種簡單方法防止溢出：每次路徑度量值計算完成后，判斷其最大值，如果最大值超過某一確定的正值，則所有的路徑度量值減去一個正值。再判斷是否有度量值小于一個確定的負數(shù)，如果有，則將其值重新賦值為一個較小的負數(shù)。仿真中，證明了這種方法的可行性。表1輸入數(shù)據(jù)與狀態(tài)間轉移關系

(3)回溯模塊此模塊包括幸存路徑存儲和判決輸出。在模塊中比較當前時刻各狀態(tài)的路徑度量值，求得最大路徑度