專利名稱：1比特采樣的差分四相相移鍵控的解調(diào)電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
數(shù)字通信及數(shù)字電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字電路一般只有1和0兩種碼，常用高、低電平表達，稱為基帶信號。當短距離通信時可以直接用基帶傳輸，但是在有些情況下不能直接傳送基帶信號，如無線信道，需要借助連續(xù)波調(diào)制進行頻帶搬移，將數(shù)字基帶信號變換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號，用載波的方式進行傳輸。通信系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，1是信源，在數(shù)字通信中它是數(shù)字信號。2是調(diào)制，將數(shù)字信號按某種方式調(diào)制并變換為模擬信號。也稱載波，可由(1)式表達，由于通常還需要將已調(diào)信號再調(diào)制到更高的發(fā)射頻率，所以調(diào)制器2的輸出也稱為中頻信號，3是上變頻，其輸出s(t)稱為載波。4是信道。5是下變頻。6是解調(diào)部分。7是信宿。和模擬調(diào)制一樣，數(shù)字信號的載波調(diào)制也有三種方式，即幅度鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)和(PSK)相移鍵控。相移鍵控是利用載波的相位變化傳遞信息，如(1)式中的相位θ的變化傳遞信息。相移鍵控分為絕對調(diào)相和相對(差分)調(diào)相。絕對調(diào)相記為PSK，如(2)式所示，1碼用0相位表示，0碼用π相位表示，其相位圖由圖2所示。
PSK(t)＝Acos(ωot+θ) (1) PSK也稱為2PSK或BPSK，2代表它只有2個相位狀態(tài)，分別表示“1”和“0”，如果利用具有多個相位狀態(tài)的正弦波來代表多組二進制信息碼元，稱為多相相移鍵控，記為MPSK。用4個相位狀態(tài)的相移鍵控就是4PSK，常稱的QPSK。圖3所示是QPSK的一種相位圖。QPSK是一種高效的調(diào)制方式，從理論上說頻帶利用率是PSK的2倍。
在實際應(yīng)用中，有時也采用π/4-QPSK調(diào)制方式，如圖4所示。
實際應(yīng)用中常用相對調(diào)相，它是利用相鄰碼元載波相位的相對變化表示數(shù)字信號，也稱位差分調(diào)相，記為DPSK。有時也采用π/4-DQPSK調(diào)制方式，如圖5所示。
DPSK就是用Δθ的變化對應(yīng)不同的數(shù)字信號碼元。(3)式表達的是第k位碼元對應(yīng)的載波信號。單獨看該信號的相位，沒有任何碼元信息，但是用它和前一位的相位相差，如(4)所表達，就可得該碼元信息，具體如表1所示是其一種對應(yīng)關(guān)系。
PSK(t)＝Acos(ωot+θk) (3)其中k代表當前位，k-1代表前一位，k+1代表后一位。
Δθk＝θk-θk-1(4)現(xiàn)有差分解調(diào)原理π/4-DQPSK的已調(diào)信號，可由(3)式表達，其相位跳變量只有±π/4和±3π/4四種可能的取值，與輸入碼元的對應(yīng)關(guān)系如表1。其信息完全包含在載波相位跳變量Δθ中，因此能夠進行差分解調(diào)。
IkQkΔθk00 -3π/401 3π/410 -π/411 π/4表1 現(xiàn)有技術(shù)中相位差與解調(diào)數(shù)碼對應(yīng)值現(xiàn)有的DQPSK數(shù)字解調(diào)方案如圖7所示，設(shè)載波或中頻信號由(3)式表達，其原理由圖7所示，圖7中1是A/D變換器，將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，采樣頻率為1/Ts，離散信號為k(nTs)＝Acos(ωonTs+θk) (6)上式中t＝nTs，n為離散采樣點數(shù)，歸一化，即令Ts＝1，A=2,]]>故上式可表達為(7)式。
則A/D變換器的輸出為 經(jīng)2延遲電路(一個碼元的延遲)，可得輸出為 又經(jīng)3移相電路(移相-π/2)，移相器輸出為 再由4、5分別相乘，乘法器輸出分別是xk′(n)＝2cos(ωon+θk)cos(ωon+θk-1) (10)yk′(n)＝2sin(ωon+θk)cos(ωon+θk-1) (11)再經(jīng)數(shù)字低通濾波器，其輸出分別是xk(n)＝cos(θk-θk-1)＝cosΔθk(12)yk(n)＝sin(θk-θk-1)＝sinΔθk(13)上述說明式(10)、(11)可分別展開為xk′(n)＝2cos(ωon+θk)cos(ωon+θk-1)＝cos(θk-θk-1)+cos(2ωon+θk+θk-1) (14)yk′(n)＝2sin(ωon+θk)cos(ωon+θk-1)＝sin(θk-θk-1)+sin(2ωon+θk+θk-1) (15)經(jīng)數(shù)字低通濾波器，將高頻項濾掉，只保留低頻項，輸出值就由(12)、(13)式表達數(shù)字低通濾波器的基本原理可表達(16)式，在此只表達一個通道，另一通道同理。
xk(n)=Σm=1Nh(m)xk′(n-m)---(16)]]>其中N是數(shù)字濾波器的寬度，或稱階數(shù)，數(shù)字濾波器的表達形式很多，(16)式是一種典型表達式，在實際電路設(shè)計中，可取64位或32位。
由于調(diào)制信號相位跳變量只有±π/4和±3π/4四種可能值，那么其xk(n)、yk(n)的值也只有四種可能的組合。經(jīng)判決可得到解調(diào)結(jié)果，具體判決由表2所示，再經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換可得到解調(diào)信號。
現(xiàn)有的數(shù)字式DQPSK解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖7所示，在數(shù)字電路中，乘法器所占硬件資源很多(在芯片中設(shè)計乘法器占用大量的門電路)，現(xiàn)有技術(shù)方案中，數(shù)字低通濾波器(圖7中6、7)中需要大量乘法器，乘法器(圖7中4、5)也需要乘法器?，F(xiàn)有這種載波或中頻差分解調(diào)方法的計算量很大，很難進行高速的解調(diào)處理。
Δθkxk(n)yk(n) IkQk-3π/4 -0.707-0.707003π/4 -0.7070.707 01-π/4 0.707 -0.70710π/4 0.707 0.707 11表2現(xiàn)有技術(shù)中相位差、低通濾波器輸出值和解調(diào)數(shù)碼對應(yīng)值發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了減少解調(diào)電路的計算量，提高解調(diào)的速度，特提出了一種新的DQPSK解調(diào)電路及解調(diào)方法。即稱為1比特采樣的差分四相相移鍵控的解調(diào)電路及方法。
本發(fā)明的方案從原理圖8可見，解調(diào)電路仍由原模擬信號變換為數(shù)字信號電路(A/D變換器)、延遲電路、移相電路、乘法器、低通濾波器、判決電路、同步電路和并/串轉(zhuǎn)換電路組成，其不同之處，是用一個1bit采樣電路(或用一個比較器、或用一個取符號電路)替代了原有的A/D變換器。
本發(fā)明的方法是1bit差分解調(diào)方法，是在1bit采樣電路(或者比較器電路、或取符號電路)的輸出處只有1位數(shù)據(jù)線，僅用1位二進制替代多位二進制數(shù)據(jù)，該1bit采樣電路將調(diào)制信號轉(zhuǎn)變?yōu)?bit數(shù)字信號，當該調(diào)制信號大于0電平時，判為“1”，小于0電平，判為“-1”；或采用其它約定編碼，只有1條數(shù)據(jù)線，2種狀態(tài)，將多bit數(shù)字信號變?yōu)?bit數(shù)字信號。
本發(fā)明主要應(yīng)用在π/4-DQPSK(π/4四相相移鍵控)方式中，該方式首先是用編碼電路將信號映射到星座點上以實現(xiàn)調(diào)制，信號星座如圖6所示。圖中有8個相位狀態(tài)，分成偶數(shù)(2k)和奇數(shù)(2k-1)兩組，分別用○和●表示。兩信號點之間的連線表示可能的相位跳變。相位跳變只能在偶數(shù)組和奇數(shù)組之間發(fā)生，在偶數(shù)組和奇數(shù)組內(nèi)沒有跳變。
下面通過對1bit差分解調(diào)原理分析證明它的可行性。
本發(fā)明提出的1bit差分解調(diào)與一般的差分解調(diào)方法不同，它是將調(diào)制信號用符號位表示，也就是1bit的采樣，模擬信號只要大于0均判為“1”，只要小于0均判為“-1”。在實際電路中，也采用約定的編碼，用“0”(低電平)表示1，用“1”(高電平)表示-1。其基本原理由圖8所示，輸入的載波或中頻信號仍由(3)式表達。圖8中1是取符號，也是1bit的采樣，在實際電路可以用一個比較器實現(xiàn)同樣的作用。符號函數(shù)定義為
定義函數(shù)signa(x)=1x≥0-1x<0---(17)]]>此時，采樣頻率＝信號頻率，t＝nTs，采樣輸出精度只有1bit，實際上就等于對(3)式表達的載波或中頻信號取符號函數(shù)，歸一化后，即Ts＝1，A＝1，圖8的1(取符號電路)的輸出為k(n)＝signa[cos(ωon+θk)] (18)實際它只有“1”和“-1”兩種值。同樣經(jīng)2(延時電路)、3(移相電路)可分別得其輸出k-1(n)＝signa[cos(ωon+θk-1)](19)k′(n)＝signa[sin(ωon+θk)] (20)式(19)、(20)也是符號函數(shù)，也只有“1”和“-1”兩種值。按圖8所示的連接關(guān)系，再經(jīng)4、5“乘法器”，在此乘法器的輸入信號均只有“1”和“-1”兩種值，因此并不需要設(shè)計數(shù)字乘法器，只要簡單的門電路就可以完成該“乘法器”的功能，實際上用一個異或門電路來完成該功能。4、5的輸出可表達為xk′(n)＝signa[cos(ωon+θk)]*signa[cos(ωon+θk-1)](21)yk′(n)＝signa[sin(ωon+θk)]*signa[cos(ωon+θk-1)](22)實際上取符號函數(shù)后，正弦信號變?yōu)榉讲ǎ独锶~展開可表示為xk′(n)=Σl=-∞∞Sa(lπ/2)ej(lωon+lφk)·Σm=-∞∞Sa(mπ/2)ej(mωon+mφk-1)]]>=Σl=-∞∞Σm=-∞∞Sa(lπ/2)·Sa(mπ/2)ej(l+m)ωcnej(lφk+mφk-1)---(23)]]>令Δφk＝φk-φk-1信號經(jīng)過低通濾波(圖8中6)后，只有當m＝-l，才能通過低通濾波器，其余均被濾掉。
xk(n)=Σl=-∞∞Sa(lπ/2)2ejl(φk-φk-1)]]>=Σl=1∞1/(2l-1)·cos[(2l-1)Δφk]---(24)]]>同理另一通道(圖8中7)的輸出為yk(n)=Σl=1∞1/(2l-1)·cos[(2l-1)(Δφk-π/2)]---(25)]]>低通濾波器輸出xk(n)、yk(n)，由(24)、(25)表達，它們雖然是無窮級數(shù)，可取前有限項近似表達，實際上得到同式(12)、(13)表達一樣的結(jié)果。取前1024項，經(jīng)計算機計算得(12)式和(24)式的結(jié)果如圖9所示。因此可以看出，只要相位跳變Δθk的誤差在±π/4之內(nèi)，不會出現(xiàn)符號的變化，判別也不會出錯。所以經(jīng)判決電路(圖8中8、9)解調(diào)的Ik、Qk通道的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有技術(shù)方案完全一樣，其對應(yīng)關(guān)系如表3，與表2比較，得到完全相同的解調(diào)數(shù)據(jù)。
Δθkxk(n) yk(n) IkQk-3π/4 ＜0＜0 0 03π/4＜0＞0 0 1-π/4＞0＜0 1 0π/4 ＞0＞0 1 1表3本發(fā)明解調(diào)數(shù)碼與相位差和低通濾波器輸出對應(yīng)值經(jīng)過以上的理論分析和實際電路設(shè)計，本發(fā)明1bit差分解調(diào)的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)字解調(diào)結(jié)果一樣。證明了本發(fā)明的可行性。
從已有技術(shù)圖7和本發(fā)明圖8的原理圖工作流程可以看出本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明提出1bit差分解調(diào)的原理及實現(xiàn)方案，1bit是指調(diào)制信號用符號位表示，1位數(shù)據(jù)線，已有技術(shù)方案的調(diào)制信號是用多位(一般取8位)表示，需要多位數(shù)據(jù)線。也可這樣表達，僅用1位二進制替代多位二進制(常見數(shù)字信號是8位)將載波或中頻調(diào)制信號采樣出來后，再恢復解調(diào)出數(shù)字信號。
(1)圖8中4、5的表示乘法。如果該乘法器的兩路輸入均是8bit，則輸出一般是16bit，該乘法器需要用大量的門電路來設(shè)計。本發(fā)明采用1bit方式，該乘法器的兩輸入均是1bit數(shù)字信號，即只有“1”、“-1”兩種可能，其輸出也只用1bit表達，也只有“1”、“-1”兩種結(jié)果。乘法運算實際就是符號相乘，在此處(4、5)可以用異或門替代該乘法器，而乘法器所需的硬件資源比異或門需要的硬件資源多得多。因此本發(fā)明能大幅度節(jié)省硬件資源、提高解調(diào)速度。
(2)圖8中6、7表示低通濾波器。其輸出可由(16)式表達，該濾波器需要大量的乘、加運算。在本發(fā)明方案中，由于乘法器(4、5)的輸出也是1bit，那么濾波器的輸入也只有“1”、“-1”兩種，即xk′(n-m)在任一時刻點總是等于“1”或“-1”，(26)式濾波器的表達式就可以不需要乘法運算。
xk(n)=Σm=1Nh(m)x′(n-m)---(26)]]>采用本發(fā)明方案，該低通濾波器輸入為“1”和“-1”構(gòu)成的數(shù)據(jù)序列，不可能出現(xiàn)其它數(shù)值。當x′(n-m)為“1”時，所對應(yīng)的響應(yīng)就是h(m)本身，h(m)是單位脈沖響應(yīng)。當輸入單獨的“-1”時，h(m)取非輸出。因此，不需要乘法運算，只需要加法運算。由于該低通濾波器的輸入信號只有“1”或“-1”兩種，只需要將單位脈沖響應(yīng)h(m)存儲在某個固定空間，當輸入“1”時，直接將其讀出，當輸入“-1”時，讀出并取反，再移位相加(如果數(shù)字濾波器的位數(shù)取64，共計有64項移位相加)，因此，省了乘法器，變乘、加運算為單純的加法運算。又因為單位脈沖響應(yīng)事先按低通濾波器的特性設(shè)計，因此，該電路(圖8中6、7)同樣起到低通濾波器作用。其輸出就是(24)、(25)式所表達，也可以由圖9表達。
圖7所示的現(xiàn)有技術(shù)方案中，低通濾波器的輸入xk′(n)為多bit數(shù)據(jù)，其低通濾波器(圖7中的6、7)需要乘法和加法計算。顯然比本發(fā)明方案多用硬件資源，且速度也慢。
(3)圖8中2、3的表示延遲和移相；圖7中2、3也表示延遲和移相。原技術(shù)方案k(n)為多位數(shù)據(jù)；本發(fā)明方案k(n)為一位數(shù)據(jù)。因此本發(fā)明在延遲和移相過程中所需更少的存儲空間，節(jié)省硬件資源。
另外，1bit的采樣，在實際電路設(shè)計中，可以直接用一個比較器完成其功能，因此與原技術(shù)方案比較，又節(jié)約了A/D變換器。
綜上所述，說明本發(fā)明原理及方案比現(xiàn)有技術(shù)計算量減少、硬件資源節(jié)省、解調(diào)處理速度提高。同時減少了幅度變化對解調(diào)結(jié)果的影響，而且又簡化了電路結(jié)構(gòu)。


圖1通信系統(tǒng)原理2PSK系統(tǒng)相位3QPSK系統(tǒng)相位4π/4-QPSK相位5π/4-DQPSK相位6π/4-DQPSK信號星座7現(xiàn)有解調(diào)技術(shù)方案原理8本發(fā)明解調(diào)技術(shù)方案原理9判決曲線其中點劃實線“__”表示現(xiàn)有技術(shù)的判決曲線星號劃實線“*”表示本發(fā)明方案判決曲線實施例利用本發(fā)明，設(shè)計解調(diào)電路。具體指標位為壓縮數(shù)字語音信號，其碼率8Kbit/s，調(diào)制中頻頻率是455KHz，所有數(shù)字電路(在實際電路中設(shè)計為雙工，調(diào)制、解調(diào)設(shè)計在一塊芯片上，故D/A和A/D設(shè)計為外圍電路)可設(shè)計在一塊芯片上，芯片選用可編程邏輯器件，(實際用XILINX公司的xc2s100)。解調(diào)工作時鐘設(shè)計為256KHz，靜噪情況下，采用13位PN碼進行測試，無誤碼達到實用要求。傳送語音信號，聲音清楚。
為了了解時鐘頻差對系統(tǒng)性能的影響，采用調(diào)制時鐘頻率和解調(diào)時鐘頻率偏差為當誤差|f|＜100Hz時候系統(tǒng)能正常工作，誤差|f|＞200Hz系統(tǒng)無法正常工作。該系統(tǒng)達到實際應(yīng)用的要求。
權(quán)利要求
1.1比特(bit)采樣QDPSK解調(diào)電路是由模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號電路(A/D變換器)、延遲電路、相移電路、乘法器、低通濾波器、判決電路、同步電路和并/串轉(zhuǎn)換電路組成，其特征是用一個1bit采樣電路(或比較器、或取符號電路)替代原有的多比特A/D變換器。
2.1比特(bit)采樣DQPSK解調(diào)電路的解調(diào)方法，其特征是在1bit采樣電路(或比較器、或取符號電路)輸出處只有1位數(shù)據(jù)線，僅用1位二進制替代多位二進制數(shù)據(jù)，該1bit采樣電路將調(diào)制信號轉(zhuǎn)變?yōu)?bit數(shù)字信號，當該調(diào)制信號大于0電平時，判為“1”，小于0電平，判為“-1”；或采用其它約定編碼，只有1條數(shù)據(jù)線，2種狀態(tài)，將多bit數(shù)字信號變?yōu)?bit數(shù)字信號。
全文摘要
1比特(bit)采樣DQPSK解調(diào)電路及方法，屬于數(shù)字通信及數(shù)字電路。該電路是在現(xiàn)有的解調(diào)電路上，用1bit采樣電路(比較器或取符號)替代原有的A/D變換器。其解調(diào)的方法是在1bit采樣電路輸出處僅有一位數(shù)據(jù)線，它將輸入的調(diào)制信號變?yōu)?bit數(shù)字信號，調(diào)制信號大于0電平，判為“1”，小于0電平，判為“－1”；或采用其它約定編碼，1條數(shù)據(jù)線2種狀態(tài)，多bit數(shù)字信號變?yōu)?bit數(shù)字信號。本發(fā)明具有計算量少，硬件資源節(jié)省，解調(diào)速度快等優(yōu)點，適應(yīng)技術(shù)和市場需要。
文檔編號H04L27/22GK1635759SQ200310104110
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者鐘洪聲, 周國勇 申請人:電子科技大學