本發(fā)明涉及安控通信領(lǐng)域,特別涉及一種PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)FPGA實現(xiàn)方法。
背景技術(shù):
隨著國際社會軍事、政治、經(jīng)濟(jì)形勢的發(fā)展,對安控系統(tǒng)的要求越來越高。從我國目前的安控信號看,速率通常比較低,一般在幾百比特/秒到幾十千比特/秒,占用的信號帶寬比較窄,而由于航天器運(yùn)動造成的多普勒頻偏最大能達(dá)到幾百千赫茲,早已超出了信號帶寬范圍。如果直接采用PSK調(diào)制,接收機(jī)無法對信號進(jìn)行跟蹤解調(diào)。即使有部分采用FM/DPSK二次調(diào)制,也大都是半模擬半數(shù)字的實現(xiàn)方法,數(shù)據(jù)處理較為困難,開發(fā)難度大。隨著安控通信領(lǐng)域的發(fā)展,這種調(diào)制體制已無法滿足人們的需求。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明提出了一種PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)模塊及方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)模塊,包括調(diào)制模塊和解調(diào)模塊兩部分,所述調(diào)制模塊包括依次連接的脈沖編碼調(diào)制模塊、差分編碼模塊、BPSK副載波調(diào)制模塊和二次FM調(diào)制模塊,其中脈沖編碼調(diào)制模塊用于將接收到的安控信息進(jìn)行脈沖編碼,并將編碼后的信號通過差分編碼模塊傳送給BPSK副載波調(diào)制模塊,差分編碼模塊用于對脈沖編碼后的信號進(jìn)行差分編碼,BPSK副載波調(diào)制模塊用于對差分編碼后的信號進(jìn)行BPSK的副載波調(diào)制,并將輸出的調(diào)制信號送給二次FM調(diào)制模塊,二次FM調(diào)制模塊用于對BPSK副載波調(diào)制信號進(jìn)行FM的二次調(diào)制;
解調(diào)模塊包括下變頻模塊、CIC抽取模塊、FM解調(diào)模塊、DPSK解調(diào)模塊,位定時模塊;
其中下變頻模塊用于把接收信號頻率變換到零頻,并將下變頻后的信號通過CIC抽取模塊送給FM解調(diào)模塊,CIC抽取模塊對下變頻后的信號進(jìn)行200點的抽??;FM解調(diào)模塊用于對抽取后的信號進(jìn)行FM的解調(diào)得到DPSK副載波調(diào)制信號,并將輸出信號送給DPSK解調(diào)模塊;DPSK解調(diào)模塊用于對輸入信號進(jìn)行差分解調(diào),并將輸出信號送給位定時模塊;位定時模塊用于對差分解調(diào)后的信號做位定時處理,得到最佳的判決點,從而解調(diào)出安控信息。
一種基于上述PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)模塊的PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)方法,所述調(diào)制方法包括以下步驟:
步驟1、對安控信息進(jìn)行脈沖編碼調(diào)制;
步驟2、對脈沖編碼調(diào)制后的信號進(jìn)行DPSK副載波調(diào)制,具體為:先對脈沖編碼調(diào)制信號進(jìn)行差分編碼,再對差分編碼后的信號進(jìn)行BPSK信號調(diào)制,調(diào)制載波為一個低頻的副載波信號;
步驟3、對DPSK副載波調(diào)制后信號進(jìn)行二次FM調(diào)制,先對DPSK副載波調(diào)制信號進(jìn)行I,Q兩支路的信號相加,再把相加的信號乘一個比例因子k,最后用乘比例因子的信號去控制一個DDS模塊的頻率控制字得到二次FM調(diào)制信號,將得到最終調(diào)制信號并輸出;
所述解調(diào)方法,包括以下步驟:
步驟A、對接收到的中頻信號進(jìn)行帶通采樣;
步驟B、對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理,將信號頻率變到零頻附近,再對下邊頻后的信號進(jìn)行200點CIC抽取濾波,得到I,Q兩路信號;
步驟C、對CIC抽取后的信號進(jìn)行FM解調(diào),F(xiàn)M解調(diào)采用小角度近似法進(jìn)行差分鑒頻,從而得到信號的頻率信息,輸出DPSK調(diào)制信號;
步驟D、對得到的DPSK調(diào)制信號進(jìn)行DPSK解調(diào),DPSK解調(diào)采用差分解調(diào),先對FM解調(diào)信號進(jìn)行延時一個符號長度的處理,再把未延時信號和延時信號相乘進(jìn)行前后符號的相位對比,從而解調(diào)DPSK副載波調(diào)制信號;
步驟E、對DPSK解調(diào)信號進(jìn)行位定時處理,先對DPSK解調(diào)信號進(jìn)行分八路的累加,累加起始點處于一個符號內(nèi)的不同位置,累加長度為一個符號的長度;并將累加結(jié)束后的值進(jìn)行保存,再對八路保存的累加值和信息幀的幀頭EB90進(jìn)行匹配處理,找到匹配值最大的一路;最后將這路信號輸出,得到安控信息。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,其顯著優(yōu)點為:1)本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)的雙重調(diào)制解調(diào)的半模擬半數(shù)字調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)方法,采用全數(shù)字的實現(xiàn)方法,更符合當(dāng)下軟件無線電的實現(xiàn)模式。具有開發(fā)周期短,可改性和可編程性強(qiáng)的優(yōu)點。2)本發(fā)明的FM解調(diào)模塊中避免了采用通過反正切運(yùn)算來求相位的傳統(tǒng)方法,而是采用小角度近似解調(diào)法,通過差分鑒頻提取頻率信息。3)DPSK解調(diào)模塊沒有采用傳統(tǒng)的先通過PSK解調(diào),后進(jìn)行碼反變換的方法。而是直接進(jìn)行差分解調(diào),差分解調(diào)的方法是通過比較前后符號的相位,從而知道它的相位變化。相位比較是通過FM解調(diào)信號和對其延遲一個符號的信號進(jìn)行相乘實現(xiàn)的。4)定時模塊為了提高系統(tǒng)可靠性,分出了八路信號。每路信號從一個符號的不同起始位置開始累加,累加一個符號長度后保存累加后的值,再對保存的值用安控信息幀幀頭EB90做匹配處理,找出匹配值最大的一路信號作為最終的判決信號,這樣可以大大降低誤碼率,提高系統(tǒng)性能。
附圖說明
圖1為PCM/DPSK/FM調(diào)制原理框圖。
圖2為PCM/DPSK/FM解調(diào)原理框圖。
圖3為差分鑒頻原理框圖。
圖4為FPGA實現(xiàn)的FM解調(diào)波形圖。
圖5為DPSK解調(diào)原理框圖。
圖6為位定時實現(xiàn)原理框圖。
圖7為FPGA實現(xiàn)的DPSK解調(diào)波形圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖,本發(fā)明的一種PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)模塊,包括調(diào)制模塊和解調(diào)模塊兩部分,所述調(diào)制模塊包括依次連接的脈沖編碼調(diào)制模塊、差分編碼模塊、BPSK副載波調(diào)制模塊和二次FM調(diào)制模塊,其中脈沖編碼調(diào)制模塊用于將接收到的安控信息進(jìn)行脈沖編碼,并將編碼后的信號通過差分編碼模塊傳送給BPSK副載波調(diào)制模塊,差分編碼模塊用于對脈沖編碼后的信號進(jìn)行差分編碼,BPSK副載波調(diào)制模塊用于對差分編碼后的信號進(jìn)行BPSK的副載波調(diào)制,并將輸出的調(diào)制信號送給二次FM調(diào)制模塊,二次FM調(diào)制模塊用于對BPSK副載波調(diào)制信號進(jìn)行FM的二次調(diào)制;
解調(diào)模塊包括下變頻模塊、CIC抽取模塊、FM解調(diào)模塊、DPSK解調(diào)模塊,位定時模塊;
其中下變頻模塊用于把接收信號頻率變換到零頻,并將下變頻后的信號通過CIC抽取模塊送給FM解調(diào)模塊,CIC抽取模塊對下變頻后的信號進(jìn)行200點的抽取;FM解調(diào)模塊用于對抽取后的信號進(jìn)行FM的解調(diào)得到DPSK副載波調(diào)制信號,并將輸出信號送給DPSK解調(diào)模塊;DPSK解調(diào)模塊用于對輸入信號進(jìn)行差分解調(diào),并將輸出信號送給位定時模塊;位定時模塊用于對差分解調(diào)后的信號做位定時處理,得到最佳的判決點,從而解調(diào)出安控信息。
一種基于上述PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)模塊的PCM/DPSK/FM調(diào)制解調(diào)方法,所述調(diào)制方法包括以下步驟:
步驟1、對安控信息進(jìn)行脈沖編碼調(diào)制;
步驟2、對脈沖編碼調(diào)制后的信號進(jìn)行DPSK副載波調(diào)制,具體為:先對脈沖編碼調(diào)制信號進(jìn)行差分編碼,再對差分編碼后的信號進(jìn)行BPSK信號調(diào)制,調(diào)制載波為一個低頻的副載波信號;
DPSK副載波調(diào)制所用公式為:
i(t)=a(t)cos(2πf1t+θ)
q(t)=a(t)sin(2πf1t+θ)
式中,i(t)為DPSK調(diào)制I路信號,q(t)為DPSK調(diào)制Q路信號,a(t)為進(jìn)行了差分編碼的安控信息,f1為副載波頻率,θ為副載波初始相位。
步驟3、對DPSK副載波調(diào)制后信號進(jìn)行二次FM調(diào)制,先對DPSK副載波調(diào)制信號進(jìn)行I,Q兩支路的信號相加,再把相加的信號乘一個比例因子k,最后用乘比例因子的信號去控制一個DDS模塊的頻率控制字得到二次FM調(diào)制信號,將得到最終調(diào)制信號并輸出;
二次FM調(diào)制所用公式為:
s(t)=i(t)+q(t)
Ffm=ks(t)
式中,s(t)為副載波調(diào)制后I,Q路信號的和,k為比例因子,F(xiàn)fm為DDS的頻率控制字。
所述解調(diào)方法,包括以下步驟:
步驟A、對接收到的中頻信號進(jìn)行帶通采樣;
步驟B、對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理,將信號頻率變到零頻附近,再對下邊頻后的信號進(jìn)行200點CIC抽取濾波,得到I,Q兩路信號;
步驟C、對CIC抽取后的信號進(jìn)行FM解調(diào),F(xiàn)M解調(diào)采用小角度近似法進(jìn)行差分鑒頻,從而得到信號的頻率信息,輸出DPSK調(diào)制信號;FM解調(diào)所用公式為:
X(n)=Δθ(n)=sinΔθ(n)=Q(n)I(n-1)-I(n)Q(n-1)
其中,X(n)為差分鑒頻輸出,Δθ(n)為相位差,(I(n-1),Q(n-1))是星座圖上一個點,(I(n),Q(n))是星座圖上的另一個點,兩點時間差為一個采樣時鐘的長度。
步驟D、對得到的DPSK調(diào)制信號進(jìn)行DPSK解調(diào),DPSK解調(diào)采用差分解調(diào),先對FM解調(diào)信號進(jìn)行延時一個符號長度的處理,再把未延時信號和延時信號相乘進(jìn)行前后符號的相位對比,從而解調(diào)DPSK副載波調(diào)制信號;
步驟E、對DPSK解調(diào)信號進(jìn)行位定時處理,先對DPSK解調(diào)信號進(jìn)行分八路的累加,累加起始點處于一個符號內(nèi)的不同位置,累加長度為一個符號的長度;并將累加結(jié)束后的值進(jìn)行保存,再對八路保存的累加值和信息幀的幀頭EB90進(jìn)行匹配處理,找到匹配值最大的一路;最后將這路信號輸出,得到安控信息。
本發(fā)明從一個符號的不同起始位置開始累加,累加一個符號長度后保存累加后的值,再對保存的值用安控信息幀幀頭EB90做匹配處理,找出匹配值最大的一路信號作為最終的判決信號,這樣可以大大降低誤碼率,提高系統(tǒng)性能。
下面結(jié)合實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
實施例
本實施例安控信息速率為2.4kbps,副載波頻率為12KHz,解調(diào)中頻12MHz,采樣頻率57.6MHz,接收機(jī)接收信號帶寬為1MHz。
對于調(diào)制模塊,先對安控信息經(jīng)過脈沖編碼調(diào)制后,再對其進(jìn)行DPSK副載波調(diào)制,輸出的信號即為DPSK信號,最后利用DPSK調(diào)制信號再進(jìn)行二次FM調(diào)制。
如圖1所示:安控PCM碼流先進(jìn)行差分編碼,對DDS產(chǎn)生的正弦余弦信號進(jìn)行PSK調(diào)制得到:
i(t)=a(t)cos(2πf1t+θ) (1)
q(t)=a(t)sin(2πf1t+θ) (2)
s(t)=i(t)+q(t) (3)
其中f1為副載波頻率,θ為調(diào)制信號相對幅載波頻率的相位。
進(jìn)一步地,將s(t)結(jié)果輸入FM調(diào)制器。FM實現(xiàn)原理為:將輸入信號直接作為調(diào)制器的DDS的頻率控制字,即FM信號的頻率為:
Ffm=s(t) (4)
但是為了得到特定的調(diào)制帶寬,需要在s(t)前乘以一個系數(shù),即:
Ffm=ks(t) (5)
上式中,調(diào)制器的主時鐘為100MHz,s(t)的位寬是16bit,假設(shè)DDS的NCO的位寬是32bit,因此乘以的系數(shù)k可以是一個16比特的數(shù),這樣當(dāng)k=1的時候,得到的最小頻率偏移:
min(Ffm)=216/232×100×106=1.53k (6)
可以滿足要求。
假設(shè)為了得到最大頻偏Fmax,求比例因子k:
k×216/232×100×106=Fmax (7)
k=6.5536×10-4×Fmax (8)
該參數(shù)可以由上位機(jī)運(yùn)算得到。
對于解調(diào)模塊,先對接收信號進(jìn)行數(shù)字下變頻,將信號頻率變到零頻附近,對下邊頻后的信號進(jìn)行CIC抽取。抽取后信號進(jìn)入FM解調(diào)單元,F(xiàn)M解調(diào)單元輸出的是DPSK調(diào)制信號,最后進(jìn)行DPSK的解調(diào),從中提取安控信息。
如圖2所示:CIC抽取采用200點抽取,由于采樣速率為57.6MHz,抽取后數(shù)據(jù)速率為288kHz,符號速率為2.4Kbps,所以一個符號有120個數(shù)據(jù)點。對抽取后的信號進(jìn)行FM和DPSK解調(diào)。
進(jìn)一步地,對CIC抽取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FM解調(diào)。
如圖3所示:FM的解調(diào)采用差分鑒頻的方法。這里鑒頻算法沒有采用傳統(tǒng)的反正切運(yùn)算鑒頻,而是采用了一種避免反正切運(yùn)算的方法。
為此提出了一種小角度近似法,由于系統(tǒng)是一種PSK調(diào)制系統(tǒng),而PSK調(diào)制是一種恒包絡(luò)的調(diào)制,也就是從星座圖上看所有的點都在單位圓上,所以可以得出:
其中θ1是星座圖上點(I(n-1),Q(n-1))相位,θ2是星座圖上點(I(n),Q(n))的相位。則有:
當(dāng)載波頻率捕獲后,頻差一般很小,當(dāng)Δθ(n)很小時,由小角度近似法則知道sinΔθ(n)和Δθ(n)近似相等,所以可以得到:
X(n)=Δθ(n)=sinΔθ(n)=Q(n)I(n-1)-I(n)Q(n-1) (11)
這算法在于沒有通過計算反正切來求相位,而是通過求其正弦函數(shù)值來求相位。當(dāng)然條件是這個差值相位不能太大。由于只有2次乘法一次減法,計算量大大減小,硬件實現(xiàn)也簡單方便。因此也可以采用較高的中頻采樣率,但它的限制在于只能應(yīng)用在調(diào)制角度很小的情況下。
圖4是FM解調(diào)在FPGA內(nèi)部實現(xiàn),通過Chipscope調(diào)試工具抓到的實際波形,從圖中看出是一個DPSK調(diào)制信號。FPGA采用的是XILINX公司的XC7A100T,Chipscope版本是ChipScope Pro Analyzer Version:14.7P.20131013。
進(jìn)一步地,對FM解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DPSK解調(diào)。
如圖5所示:FM解調(diào)輸出信號即是頻率穩(wěn)定的DPSK副載波調(diào)制信號,此信號進(jìn)入差分解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)。差分解調(diào)的原理是直接比較前后碼元的相位差,從而恢復(fù)發(fā)送的二進(jìn)制信息。由于解調(diào)的同時完成了碼反變換的作用,故解調(diào)器中不需要碼反變換器,即不需要專門的相干載波。
進(jìn)一步地,對DPSK解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行位定時實現(xiàn)。
如圖6所示,由于信號是突發(fā)模式的,所以要通過發(fā)送信號幀的同步頭去檢測信號,同時用同步頭去和DPSK解調(diào)信號做相關(guān)匹配,找到最佳的判決位置。通過在不同的起始位置開始累加,累加的長度就是一個符號長度。最終在每個累加的結(jié)束時刻寄存累加值。這些值就是解出的具體信息。只不過如果不是最佳的累加位置,累加值可能會影響判決,從而造成誤碼的出現(xiàn)。而這里利用同步頭對不同位置累加解出的信息值進(jìn)行匹配,匹配值最大的一路解出的信息值是最可靠的。其累加寄存后結(jié)果認(rèn)為是解出的信息碼流,最后對輸出結(jié)果判決,大于0的為信息碼1,小于零的為信息碼0。這樣就可以把信息解調(diào)出來。
圖7是DPSK解調(diào)在FPGA內(nèi)部實現(xiàn),通過Chipscope調(diào)試工具抓到的實際波形,從圖中看出經(jīng)過DPSK解調(diào)和符號累加后,安控信息幀已被正確的解調(diào)出來,圖中明顯的可以看出累加后的值分正負(fù)值兩種分布,于0的為信息碼1,小于零的為信息碼0。只不過累加起始點不同,最終的累加結(jié)果值大小不同,為了提高符號判決的可靠性,所以在做位定時的時候,要分八個不同的起始位置分別進(jìn)行累加,以找出最佳的判決位置。FPGA采用的是XILINX公司的XC7A100T,Chipscope版本是ChipScope Pro Analyzer Version:14.7P.20131013。
以上所述實施方式,其描述較為具體和詳細(xì),但并不能理解為對本專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是,對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本方案構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn),這些都屬于本專利的保護(hù)范圍。