基于FPGA的寬動態范圍DPSK解調器設計?

李興廣，陳殿仁

基于FPGA的寬動態范圍DPSK解調器設計?

李興廣，陳殿仁

（長春理工大學，長春130022）

為了解決大多普勒頻移、猝發通信條件下傳統接收機結構復雜的問題，設計并實現了一種基于FPGA實現的寬動態范圍全數字DPSK基帶接收機。采用1 bit A／D帶通采樣技術和差分檢測技術，在最大40 kHz多普勒頻移條件下實現了70 dB動態范圍。該技術已用于某低成本毫米波數據通信系統中，實現了碼速率為10 Mbit／s、動態范圍大于70 dB的DPSK信號解調，系統誤比特率為10-6。

毫米波通信；DPSK基帶信號解調；1bit A／D帶通采樣；差分檢測

1 引言

目前，一般數據通信系統，基帶信號解調需要利用鎖相環路精確估計接收載波的頻率與相位信息，在多普勒頻率偏移較大的情況下，用上述方法恢復高頻載波的頻率和相位，系統結構更加復雜［1］。在毫米波頻段，多普勒頻移相對較大，對鎖相環路要求較高的情況下，對于低成本通信系統來說，復雜的系統結構是十分不利的。因此，本文提出了一種基于現場可編程邏輯陣列（FPGA）實現的全數字DPSK基帶接收機的結構，采用1 bit A／D對中頻信號進行帶通采樣與量化處理，并通過差分檢測技術實現解調，提高了接收機的動態范圍和抗多普勒效應的性能。

由于采用了差分檢測技術消除多普勒頻率偏移對DPSK接收系統性能的影響，接收機不需要精確的載波恢復，提高了傳輸效率，降低了電路復雜程度。另外，接收機使用1 bit A／D將中頻信號帶通采樣數字化，由于1 bit A／D的高度非線性，因此只要前置放大器具有足夠高的增益，使弱信號放大到數字域的強度即可，不需要自動增益控制，也不需要線性放大，就能使接收機具有較寬的動態范圍［1］。

2 全數字DPSK基帶接收機結構

基于FPGA實現的PSK基帶接收機主要包括1 bit A／D前端、積分清洗和時鐘恢復等電路，結構如圖1所示。中頻信號經1 bit ADC根據帶通采樣定理采樣后，得到幅值為“1”或“0”的二值信號，該信號形成數字域的I、Q兩路信號，再進行自相關差分解調和最大似然比判決等處理，解調出數據信息。1 bit A／D的使用還消除了傳統接收機的模擬混頻器、有源濾波器的噪聲系數、同相正交支路的幅度及相位不平衡等對接收機性能的影響［2］。

由于傳統接收機使用的4個基帶模擬混頻器在圖1中由同或邏輯門或者異或邏輯門所取代，低通匹配濾波器也由數字積分清洗濾波器實現，所以消除了混頻器和濾波器噪聲系數對接收機性能的影響。處理過程特別適合于使用FPGA技術實現，使接收機設計與實現具有很高的靈活性。

另外，傳統接收機的鎖相環路帶寬必須足夠寬才能消除頻偏引起的性能惡化。鎖相環路帶寬越寬，捕獲時間越長，接收機越復雜，同時還可能使SNR下降2～3 dB［3，4］。本文采用的二階差分檢測技術原理如圖2所示，因為相鄰符號引起的頻偏和相位誤差是確定的，因此，接收機可以使用自相關技術解調，且不需要載波精確同頻、同相。

二階差分技術原理如圖2所示，在發射端，信息由二階差分編碼器進行相位編碼，如圖2（a）所示。設原始信號相位為θ（t），則一階差分輸出為

二階差分輸出為

在接收端采用二階差分解碼，原理如圖2（b）所示。設接收端接收到的信號相位為θ2（t）+Δωt，其中Δω為多普勒效應引起的頻偏。一階差分解調輸出為

從式（3）可知，一階差分無法消除由多普勒頻移引起的固定相位差ΔωT。二階差分解調輸出為

因此，經二階差分消除了由多普勒頻移引起的固定相位差ΔωT。

3 帶通采樣對接收機性能影響

圖1所示接收機中的1 bit A／D是由一個模擬比較器和一個D觸發器構成的采樣電路。模擬信號被1 bit A／D轉換為方波，然后由D觸發器以時鐘頻率fs采樣。1 bit A／D原理如圖3所示。

量化誤差對接收機性能的影響可以用信噪比下降來表示，A／D采樣后，信噪比為

式中，Eb為符號能量，N0為系統噪聲，Nq為量化噪聲。由ADC量化誤差引起SNR損失為

ADC量化噪聲的方差和功率為

其中，b是ADC的位數，對1 bit ADC（b=1時）有:

信號幅度為A，周期為T。白噪聲功率:

量化噪聲引起的信噪比損失為

式中，A為信號幅度。當接收機中頻為140 MHz、信號帶寬為20 MHz、碼速率為10 Mbit／s、采樣頻率為112 MHz時，1～8 bit ADC量化噪聲造成的接收機信噪比損失如圖4所示。

由圖4可見，當信噪比較低時，1 bit ADC量化噪聲引起的信噪比損失較小，信噪比損失隨信噪比的增大而增加，但對接收機的誤比特率性能影響較小，由式（12）可見，通過增加采樣頻率可以進一步減小信噪比損失。

4 接收機誤比特率分析

設圖1所示接收機的輸入信號在（n-1）T≤t≤nT區間可以表示為（T為輸入信號周期）

其中，nc（t）和ns（t）是低通噪聲，其均方差是信號在（n-1）T≤t≤nT區間內經帶通采樣為

其中，在（n-2）T≤t≤（n-1）T間的信號和噪聲:

接收信號rn-1和rn可能是1或0，如果相位差分調制Δφn=φn-φn-1取值為0或π，則同相支路差分解調輸出可以表示為

令

式（20）中:

式中，nc1nc2ns1ns2是噪聲成分，由于rn、rn-1具有相同頻率誤差Δω，則差分解碼后:

頻率誤差Δωt被消除，根據式（4）中ΔωT項可以通過二階差分解碼消除。每個樣點的差錯概率可以表示為

同樣可以得到正交支路的差錯概率:

接收機輸出可以表示為

誤比特率為

圖5是不同信噪比條件下理想DPSK接收機和本文論述的接收機的誤碼率仿真結果。接收機參數:中頻140 MHz，信號帶寬20 MHz，碼速率10Mbit／s，采樣頻率112 MHz。

5 結論

1 bit A／D帶通采樣技術和差分檢測技術的應用極大程度降低了傳統接收機的復雜性，當誤比特率小于10-6時，接收機較理想接收機信噪比損失大約4 dB，但是接收機不需要精確載波恢復電路，降低了電路復雜程度，易于實現，適用于低成本和對接收機靈敏度要求不高的情況。

［1］Yuce M R，Liu Wentai.Implementation and Performance of a Low-Power Multirate PSK Receiver Robust to Doppler Shift［C］／／Proceedings of IEEE 60th Vehicular Technology Conference.Los Angeles，CA:IEEE，2004:2230-2235.

［2］Kajiwara A.Mobile satellite CDMA system robust to Doppler shift［J］.IEEETransactionson Vehicular Technology，1995，44（3）:480-486.

［3］RafferyW，Divsalar D.Modulation and coding for landmobile satellite channels［C］／／Proceedings of 1998 IEEE International Conference on Communications.Philadelphia，PA，USA:IEEE，1988:1105-1111.

［4］Vaughan R G，ScottN L，White DR.The theory ofbandpass sampling［J］.IEEETransactionson Signal Processing，1991，39（9）:1973-1984.

［5］Wu PH.The optimal BPSK demodulatorwith a 1-bit A／D front-end［C］／／Proceedings ofMilitary Communication Conference.Boston，MA，USA:IEEE，1998:730-735.

LIXing-guang was born in Changchun，Jilin Province，in 1976.He received the Ph.D.degree from Changchun University of Science and Technology in 2010.He isnow a lecturer.His research interests include microwave communication，signal and information processing.

Email:leexingguang＠126.com，renhe2009＠163.com

陳殿仁（1952—），男，吉林長春人，2000年獲博士學位，現為教授，主要研究方向為信號與信息處理技術。

CHENDian-renwas born in Changchun，Jilin Province，in 1952.He received the Ph.D.degree in 2000.He is now a professor.His research direction is signal and information processing technology.

Email:

diarrenchen＠cust.edu.cn

Design of a Wide Dynam ic Range Digital DPSK Demodulator using FPGA

LIXing-guang，CHEN Dian-ren
（Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

An all digital wide dynamic range DPSK receiver is designed and implemented by using field programmable gate array（FPGA）for burst communication applications in environmentwith a large Doppler frequency offset.The receiver employs 1 bit A／D bandpass sampling and differential detection to achieve a 70 dB dynamic range when themaximum Doppler frequency shift is 40 kHz.The technology has been used in a lowcostmillimeter-wave communication system to demodulate the DPSK signalwhose code rate is 10 Mbit／s and the signal dynamic range is greater than 70 dB，and the bit error rate can reach 10-6.

MMW communication；DPSK demodulation；1bit A／D bandpass sampling；differential detection

TN928

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.12.011

李興廣（1976—），男，吉林長春人，2010年于長春理工大學獲博士學位，現為講師，主要研究方向為微波通信、信號與信息處理等；

1001-893X（2011）12-0053-04

2011-09-28；

2011-11-08