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