無線通信降噪抗干擾調制技術的仿真研究*

文國軍，金紅軍，楊 成

（1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018; 2.中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331）

無線通信降噪抗干擾調制技術的仿真研究*

文國軍1，金紅軍2，楊 成2

（1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018; 2.中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331）

隨著無線通信技術的不斷發展，信道中降噪抗干擾技術的研究成為熱點。研究無線通信降噪抗干擾技術中的增量求和調制技術，依據MATLAB/SIMULINK仿真系統，采用50 MHz的單一頻率正弦波、過采樣率256、1bit量化器，分別對一階、二階調制技術進行行為級的理想建模與仿真，得到其信噪比分別為73 dB與103 dB。可見，相比一階調制技術，二階調制技術的性能更好，從而驗證了方案的合理性與可行性。

寬帶可重構；數字射頻；增量求和調制；信噪比

0 引 言

高速數據傳輸是無線通信領域的發展趨勢。無線通信技術的發展速度與應用領域已經超過了固定通信系統，同時對信道中傳輸信號的質量要求越來越高，提高信道的降噪抗干擾能力成為無線通信領域的一大熱點。無線通信降噪抗擾技術中基于過采樣技術的增量求和調制器能夠高速、準確地將模擬信號傳送到電子設備芯片，并進行實時數字信號處理。同時，它能夠采用標準化的數字CMOS工藝技術，充分利用具有高集成度、高速度的現代VLSI技術，能夠滿足更高的速度、精度，更低的功耗以及成本的需求[1]，還能夠改善信道降噪抗干擾能力，提高信噪比。

1 增量求和調制技術基本原理

增量求和調制（也叫△∑調制）技術的原理框圖如圖1所示[2]，圖1中，fs為實際采樣頻率，OSR為過采樣率，fb為信號帶寬。增量求和調制技術是一門基于過采樣、噪聲整形和幅度量化三個基礎技術上的完全不同于傳統模數轉換技術的另一類轉換技術[3]。

圖1 增量求和調制的原理

圖1中量化器采用1 bit量化。首先，假設量化噪聲為白噪聲[4]，其統計特性和輸入信號的統計特性相互獨立，其序列是一個平穩的隨機序列，且任意兩個離散值之間是相互獨立存在，概率密度函數則服從均勻分布。增量求和調制技術原理是對輸入的連續信號以遠高于輸入信號Nyquist頻率的抽樣頻率進行采樣，并將量化噪聲分散在一個大的頻率范圍內,從而降低有用信號帶寬內的噪聲能量，然后再通過噪聲整形將量化噪聲搬移到有用信號的頻帶以外[5]，進而使有用信號帶寬內的噪聲能量進一步降低，以提高調制器的信噪比。

增量求和調制器輸出Y(z)的表達式為：

式中，Hx(z)為信號傳遞函數STF，He(z)為噪聲傳遞函數NTF。

增量求和調制器主要由積分器（噪聲整形）和量化器構成。它的階數由積分器的個數決定，即積分器的個數，就是調制器的階數。

對于一階調制器來說，它的信號傳遞函數STF和噪聲傳遞函數NTF分別為：

一階調制器的信噪比表達式為：

對于二階調制器來說，它的信號傳遞函數STF和噪聲傳遞函數NTF分別為：

二階調制器的信噪比表達式為：

綜合一階、二階調制器的信號傳遞函數與噪聲傳遞函數可以看出，調制器對信號只起到了時延的作用，而對于噪聲信號來說卻起到了高通作用。同時，理論上也可以看出，二階調制器相比一階調制器噪聲整形效果更好。

2 系統建模

MATLAB/SIMULIN仿真工具的功能很強大，能夠使用戶和系統交互進行動態系統建模、仿真和綜合分析[6]，首先，對一階調制器建模，各參數滿足一階調制器的標準，模型如圖2所示。

圖2 一階調制器SIMULINK模型

緊接著，對二階調制器進行SIMULINK建模，積分器的個數為2，模型框圖如圖3所示。

圖2與圖3中調制器的積分器由累加器與延時器組成模塊實現，量化器模塊實現1 bit量化，信號發生器模塊生成輸入的單頻率正弦波，頻譜顯示模塊用來觀察輸出信號的頻譜，接下來進行仿真與分析。

3 仿真與分析

對于一階調制器來說，當輸入信號頻率為50 MHz的單一正弦波，過采樣率OSR為256，設置各模塊參數后，顯示模塊與顯示1模塊顯示的波形圖如圖4、圖5所示。

圖3 二階調制器SIMULINK模型

圖4 輸入信號波形

圖5 一次積分和量化后的波形

由圖4、圖5可知，當輸入信號為一單頻率正弦波時，經過一次積分和量化后，最終輸出+1和-1的序列信號。

一階調制器仿真頻譜圖如圖6所示。

圖6 一階增量求和調制器輸出信號頻譜

從圖6調制器輸出信號的頻譜中可以看到，絕大部分的量化噪聲從低頻被搬移到了高頻，在信號基帶頻率附近的分布減少，所以最后可以通過低通濾波器過濾分布在高頻部分的量化噪聲而得到有用信號，從而驗證了用SIMULIN建模的合理性。同時，由圖6可以得到一階調制器的信噪比SNR為73 dB。這與直接用式（3）計算的信噪比74.86 dB接近，從而進一步了驗證方案的可行性。

在相同的輸入信號、過采樣率、采樣點數及其采樣時間的情況下，設置各模塊參數對二階增量求和調制器仿真，輸出信號的頻譜圖如圖7所示。

由圖7可以得到二階調制器的信噪比SNR為103 dB。這與直接用式（5）計算的信噪比115.29 dB接近。相比一階調制器來說，二階調制器的信噪比提高了近30 dB。對比圖6與圖7，可以明顯的看出，在輸入信號、過采樣率相同的條件下，調制器的階數越高，噪聲整形效果越好，信噪比也越高，符合理論分析模型。

圖7 二階增量求和調制器輸出信號的頻譜

4 結 語

本文基于MATLAB/SIMULINK建立了一階、二階調制器的模型，并分別進行了理想情況下的行為級仿真。從仿真輸出的信號頻譜圖中可以看出，低階調制器能夠很好地實現噪聲信號的頻譜搬移，而且階數越高，噪聲頻譜搬移效果越好，信噪比越高，利用SIMULINK進行調制器的仿真，不僅能對其進行很好的功能預測，而且大大提高了仿真速度，降低了編程語言的復雜性，在設計中具有很大的應用價值。

[1] 劉瑩.△∑調制器仿真數據處理[D].北京:北京交通大學,2008:1-2. LIU Ying.Sigma Delta Modulator Simulation Data Processing[D].Beijing:Beijing University,2008:1-2.

[2] 周強,朱蕾,陳江.S類功放的頻率可調帶通△∑調制器研究與實現[J].電子技術應用,2014,40(06):103-108. ZHOU Qiang,ZHU Lei,CHEN Jiang.Class S power Amplifier Frequency Band-pass Tunable Delta Sigma Mudulator Research and Application of Electronic Technology,2014,40(06):103-108.

[3] SCHREIER R.Delta-Sigma數據轉換器[M].北京:科學出版社,2007. SCHREIER R.Delta-Sigma Data Converter[M]. Beijing:Science Press,2007.

[4] W.Bennett,Spectra of Quantized Signals[J].Bell System Tech. Journal,1948(27):446-472.

[5] Candy J C,Temes G C.Oversampling Delta-Sigma Data Converters:Theory,Design,and Simulation [M].New Jersey:Wiley-IEEE Press,1992:52-59.

[6] 周建興,豈興明,矯津毅.MATLAB從入門到精通[M]. 2版.北京:人民郵電出版社,2012:273-325. ZHOU Jian-xing,QI Xing-ming,JIAO Jin-yi.MATLAB from Entry to the Master [M].Second Edition.Beijing: People's Posts and Telecommunications Publishing House,2012:273-325.

文國軍（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向為軟件無線電中的射頻技術；金紅軍（1963—），男，碩士，碩士生導師，研究員，主要研究方向為戰術通信與無線傳輸技術；

楊 成（1957—），男，本科，高級工程師，主要研究方向為無線通信。

Simulation Study on Noise Reduction and Anti-Jamming Modulation Technology in Wireless Communication

WEN Guo-jun1, JIN Hong-jun2, YANG Cheng2
(1.College of Electronic Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018,China; 2.No.50 Institute of CETC,Shanghai 200331,China)

With the development of wireless communication technology,the research of noise reduction and anti jamming technology in the channel becomes a hot spot. Delta Sigma Modulation technology of the wireless communication noise reduction and anti jamming technology is researched,according to the MATLAB/SIMULINK simulation system,using the single frequency sine wave of 50 MHz and 1bit quantizer,over sampling rate of 256.The ideal modeling and simulation of behavior level are carried out respectively on the first and second order modulation techniques,and the signal to noise ratio of 73 dB and 103 dB are obtained respectively.Compared with the first order modulation technology,the performance of the second order is better,which proves the feasibility and reasonableness of the scheme.

broadband reconfigurable;digital radio frequency;delta sigma modulation;signal to noise ratio

TN911.3

A

1002-0802(2016)-07-0817-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.004

2016-03-12;

2016-06-11 Received date:2016-03-12;Revised date:2016-06-11