基于FPGA的宽动态范围DPSK解调器设计✴

李兴广，陈殿仁

基于FPGA的宽动态范围DPSK解调器设计✴

李兴广，陈殿仁

（长春理工大学，长春130022）

为了解决大多普勒频移、猝发通信条件下传统接收机结构复杂的问题，设计并实现了一种基于FPGA实现的宽动态范围全数字DPSK基带接收机。采用1 bit A／D带通采样技术和差分检测技术，在最大40 kHz多普勒频移条件下实现了70 dB动态范围。该技术已用于某低成本毫米波数据通信系统中，实现了码速率为10 Mbit／s、动态范围大于70 dB的DPSK信号解调，系统误比特率为10-6。

毫米波通信；DPSK基带信号解调；1bit A／D带通采样；差分检测

1 引言

目前，一般数据通信系统，基带信号解调需要利用锁相环路精确估计接收载波的频率与相位信息，在多普勒频率偏移较大的情况下，用上述方法恢复高频载波的频率和相位，系统结构更加复杂［1］。在毫米波频段，多普勒频移相对较大，对锁相环路要求较高的情况下，对于低成本通信系统来说，复杂的系统结构是十分不利的。因此，本文提出了一种基于现场可编程逻辑阵列（FPGA）实现的全数字DPSK基带接收机的结构，采用1 bit A／D对中频信号进行带通采样与量化处理，并通过差分检测技术实现解调，提高了接收机的动态范围和抗多普勒效应的性能。

由于采用了差分检测技术消除多普勒频率偏移对DPSK接收系统性能的影响，接收机不需要精确的载波恢复，提高了传输效率，降低了电路复杂程度。另外，接收机使用1 bit A／D将中频信号带通采样数字化，由于1 bit A／D的高度非线性，因此只要前置放大器具有足够高的增益，使弱信号放大到数字域的强度即可，不需要自动增益控制，也不需要线性放大，就能使接收机具有较宽的动态范围［1］。

2 全数字DPSK基带接收机结构

基于FPGA实现的PSK基带接收机主要包括1 bit A／D前端、积分清洗和时钟恢复等电路，结构如图1所示。中频信号经1 bit ADC根据带通采样定理采样后，得到幅值为“1”或“0”的二值信号，该信号形成数字域的I、Q两路信号，再进行自相关差分解调和最大似然比判决等处理，解调出数据信息。1 bit A／D的使用还消除了传统接收机的模拟混频器、有源滤波器的噪声系数、同相正交支路的幅度及相位不平衡等对接收机性能的影响［2］。

由于传统接收机使用的4个基带模拟混频器在图1中由同或逻辑门或者异或逻辑门所取代，低通匹配滤波器也由数字积分清洗滤波器实现，所以消除了混频器和滤波器噪声系数对接收机性能的影响。处理过程特别适合于使用FPGA技术实现，使接收机设计与实现具有很高的灵活性。

另外，传统接收机的锁相环路带宽必须足够宽才能消除频偏引起的性能恶化。锁相环路带宽越宽，捕获时间越长，接收机越复杂，同时还可能使SNR下降2～3 dB［3，4］。本文采用的二阶差分检测技术原理如图2所示，因为相邻符号引起的频偏和相位误差是确定的，因此，接收机可以使用自相关技术解调，且不需要载波精确同频、同相。

二阶差分技术原理如图2所示，在发射端，信息由二阶差分编码器进行相位编码，如图2（a）所示。设原始信号相位为θ（t），则一阶差分输出为

二阶差分输出为

在接收端采用二阶差分解码，原理如图2（b）所示。设接收端接收到的信号相位为θ2（t）+Δωt，其中Δω为多普勒效应引起的频偏。一阶差分解调输出为

从式（3）可知，一阶差分无法消除由多普勒频移引起的固定相位差ΔωT。二阶差分解调输出为

因此，经二阶差分消除了由多普勒频移引起的固定相位差ΔωT。

3 带通采样对接收机性能影响

图1所示接收机中的1 bit A／D是由一个模拟比较器和一个D触发器构成的采样电路。模拟信号被1 bit A／D转换为方波，然后由D触发器以时钟频率fs采样。1 bit A／D原理如图3所示。

量化误差对接收机性能的影响可以用信噪比下降来表示，A／D采样后，信噪比为

式中，Eb为符号能量，N0为系统噪声，Nq为量化噪声。由ADC量化误差引起SNR损失为

ADC量化噪声的方差和功率为

其中，b是ADC的位数，对1 bit ADC（b=1时）有:

信号幅度为A，周期为T。白噪声功率:

量化噪声引起的信噪比损失为

式中，A为信号幅度。当接收机中频为140 MHz、信号带宽为20 MHz、码速率为10 Mbit／s、采样频率为112 MHz时，1～8 bit ADC量化噪声造成的接收机信噪比损失如图4所示。

由图4可见，当信噪比较低时，1 bit ADC量化噪声引起的信噪比损失较小，信噪比损失随信噪比的增大而增加，但对接收机的误比特率性能影响较小，由式（12）可见，通过增加采样频率可以进一步减小信噪比损失。

4 接收机误比特率分析

设图1所示接收机的输入信号在（n-1）T≤t≤nT区间可以表示为（T为输入信号周期）

其中，nc（t）和ns（t）是低通噪声，其均方差是信号在（n-1）T≤t≤nT区间内经带通采样为

其中，在（n-2）T≤t≤（n-1）T间的信号和噪声:

接收信号rn-1和rn可能是1或0，如果相位差分调制Δφn=φn-φn-1取值为0或π，则同相支路差分解调输出可以表示为

令

式（20）中:

式中，nc1nc2ns1ns2是噪声成分，由于rn、rn-1具有相同频率误差Δω，则差分解码后:

频率误差Δωt被消除，根据式（4）中ΔωT项可以通过二阶差分解码消除。每个样点的差错概率可以表示为

同样可以得到正交支路的差错概率:

接收机输出可以表示为

误比特率为

图5是不同信噪比条件下理想DPSK接收机和本文论述的接收机的误码率仿真结果。接收机参数:中频140 MHz，信号带宽20 MHz，码速率10Mbit／s，采样频率112 MHz。

5 结论

1 bit A／D带通采样技术和差分检测技术的应用极大程度降低了传统接收机的复杂性，当误比特率小于10-6时，接收机较理想接收机信噪比损失大约4 dB，但是接收机不需要精确载波恢复电路，降低了电路复杂程度，易于实现，适用于低成本和对接收机灵敏度要求不高的情况。

［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

陈殿仁（1952—），男，吉林长春人，2000年获博士学位，现为教授，主要研究方向为信号与信息处理技术。

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

李兴广（1976—），男，吉林长春人，2010年于长春理工大学获博士学位，现为讲师，主要研究方向为微波通信、信号与信息处理等；

1001-893X（2011）12-0053-04

2011-09-28；

2011-11-08