无线通信降噪抗干扰调制技术的仿真研究*

文国军，金红军，杨 成

（1.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018; 2.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200331）

无线通信降噪抗干扰调制技术的仿真研究*

文国军1，金红军2，杨 成2

（1.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018; 2.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200331）

随着无线通信技术的不断发展，信道中降噪抗干扰技术的研究成为热点。研究无线通信降噪抗干扰技术中的增量求和调制技术，依据MATLAB/SIMULINK仿真系统，采用50 MHz的单一频率正弦波、过采样率256、1bit量化器，分别对一阶、二阶调制技术进行行为级的理想建模与仿真，得到其信噪比分别为73 dB与103 dB。可见，相比一阶调制技术，二阶调制技术的性能更好，从而验证了方案的合理性与可行性。

宽带可重构；数字射频；增量求和调制；信噪比

0 引 言

高速数据传输是无线通信领域的发展趋势。无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信系统，同时对信道中传输信号的质量要求越来越高，提高信道的降噪抗干扰能力成为无线通信领域的一大热点。无线通信降噪抗扰技术中基于过采样技术的增量求和调制器能够高速、准确地将模拟信号传送到电子设备芯片，并进行实时数字信号处理。同时，它能够采用标准化的数字CMOS工艺技术，充分利用具有高集成度、高速度的现代VLSI技术，能够满足更高的速度、精度，更低的功耗以及成本的需求[1]，还能够改善信道降噪抗干扰能力，提高信噪比。

1 增量求和调制技术基本原理

增量求和调制（也叫△∑调制）技术的原理框图如图1所示[2]，图1中，fs为实际采样频率，OSR为过采样率，fb为信号带宽。增量求和调制技术是一门基于过采样、噪声整形和幅度量化三个基础技术上的完全不同于传统模数转换技术的另一类转换技术[3]。

图1 增量求和调制的原理

图1中量化器采用1 bit量化。首先，假设量化噪声为白噪声[4]，其统计特性和输入信号的统计特性相互独立，其序列是一个平稳的随机序列，且任意两个离散值之间是相互独立存在，概率密度函数则服从均匀分布。增量求和调制技术原理是对输入的连续信号以远高于输入信号Nyquist频率的抽样频率进行采样，并将量化噪声分散在一个大的频率范围内,从而降低有用信号带宽内的噪声能量，然后再通过噪声整形将量化噪声搬移到有用信号的频带以外[5]，进而使有用信号带宽内的噪声能量进一步降低，以提高调制器的信噪比。

增量求和调制器输出Y(z)的表达式为：

式中，Hx(z)为信号传递函数STF，He(z)为噪声传递函数NTF。

增量求和调制器主要由积分器（噪声整形）和量化器构成。它的阶数由积分器的个数决定，即积分器的个数，就是调制器的阶数。

对于一阶调制器来说，它的信号传递函数STF和噪声传递函数NTF分别为：

一阶调制器的信噪比表达式为：

对于二阶调制器来说，它的信号传递函数STF和噪声传递函数NTF分别为：

二阶调制器的信噪比表达式为：

综合一阶、二阶调制器的信号传递函数与噪声传递函数可以看出，调制器对信号只起到了时延的作用，而对于噪声信号来说却起到了高通作用。同时，理论上也可以看出，二阶调制器相比一阶调制器噪声整形效果更好。

2 系统建模

MATLAB/SIMULIN仿真工具的功能很强大，能够使用户和系统交互进行动态系统建模、仿真和综合分析[6]，首先，对一阶调制器建模，各参数满足一阶调制器的标准，模型如图2所示。

图2 一阶调制器SIMULINK模型

紧接着，对二阶调制器进行SIMULINK建模，积分器的个数为2，模型框图如图3所示。

图2与图3中调制器的积分器由累加器与延时器组成模块实现，量化器模块实现1 bit量化，信号发生器模块生成输入的单频率正弦波，频谱显示模块用来观察输出信号的频谱，接下来进行仿真与分析。

3 仿真与分析

对于一阶调制器来说，当输入信号频率为50 MHz的单一正弦波，过采样率OSR为256，设置各模块参数后，显示模块与显示1模块显示的波形图如图4、图5所示。

图3 二阶调制器SIMULINK模型

图4 输入信号波形

图5 一次积分和量化后的波形

由图4、图5可知，当输入信号为一单频率正弦波时，经过一次积分和量化后，最终输出+1和-1的序列信号。

一阶调制器仿真频谱图如图6所示。

图6 一阶增量求和调制器输出信号频谱

从图6调制器输出信号的频谱中可以看到，绝大部分的量化噪声从低频被搬移到了高频，在信号基带频率附近的分布减少，所以最后可以通过低通滤波器过滤分布在高频部分的量化噪声而得到有用信号，从而验证了用SIMULIN建模的合理性。同时，由图6可以得到一阶调制器的信噪比SNR为73 dB。这与直接用式（3）计算的信噪比74.86 dB接近，从而进一步了验证方案的可行性。

在相同的输入信号、过采样率、采样点数及其采样时间的情况下，设置各模块参数对二阶增量求和调制器仿真，输出信号的频谱图如图7所示。

由图7可以得到二阶调制器的信噪比SNR为103 dB。这与直接用式（5）计算的信噪比115.29 dB接近。相比一阶调制器来说，二阶调制器的信噪比提高了近30 dB。对比图6与图7，可以明显的看出，在输入信号、过采样率相同的条件下，调制器的阶数越高，噪声整形效果越好，信噪比也越高，符合理论分析模型。

图7 二阶增量求和调制器输出信号的频谱

4 结 语

本文基于MATLAB/SIMULINK建立了一阶、二阶调制器的模型，并分别进行了理想情况下的行为级仿真。从仿真输出的信号频谱图中可以看出，低阶调制器能够很好地实现噪声信号的频谱搬移，而且阶数越高，噪声频谱搬移效果越好，信噪比越高，利用SIMULINK进行调制器的仿真，不仅能对其进行很好的功能预测，而且大大提高了仿真速度，降低了编程语言的复杂性，在设计中具有很大的应用价值。

[1] 刘莹.△∑调制器仿真数据处理[D].北京:北京交通大学,2008:1-2. LIU Ying.Sigma Delta Modulator Simulation Data Processing[D].Beijing:Beijing University,2008:1-2.

[2] 周强,朱蕾,陈江.S类功放的频率可调带通△∑调制器研究与实现[J].电子技术应用,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数据转换器[M].北京:科学出版社,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] 周建兴,岂兴明,矫津毅.MATLAB从入门到精通[M]. 2版.北京:人民邮电出版社,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.

文国军（1990—），女，硕士研究生，主要研究方向为软件无线电中的射频技术；金红军（1963—），男，硕士，硕士生导师，研究员，主要研究方向为战术通信与无线传输技术；

杨 成（1957—），男，本科，高级工程师，主要研究方向为无线通信。

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