厦 门 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 兹 呈 交 的 学 位 论 文, 是 本 人 在 导 师 指 导 下 独 立 完 成 的 研 究 成 果 本 人 在 论 文 写 作 中 参 考 的 其 他 个 人 或 集 体 的 研 究 成 果, 均 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 本

学 校 编 码 :10384 分 类 号 密 级 学 号 :22420051302417 UDC 硕 士 学 位 论 文 数 字 微 波 中 CPM 接 收 机 的 设 计 与 实 现 The Design and Implement of CPM Receiver in Digital Microwave System 林 伟 铭 指 导 教 师 姓 名 : 黄 联 芬 高 级 工 程 师 专 业 名 称 : 通 信 与 信 息 系 统 论 文 提 交 日 期 : 2008 论 文 答 辩 时 间 : 2008 年 05 月 年 05 月 学 位 授 予 日 期 : 2008 年 月 答 辩 委 员 会 主 席 : 评 阅 人 : 2008 年 05 月

厦 门 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 兹 呈 交 的 学 位 论 文, 是 本 人 在 导 师 指 导 下 独 立 完 成 的 研 究 成 果 本 人 在 论 文 写 作 中 参 考 的 其 他 个 人 或 集 体 的 研 究 成 果, 均 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 本 人 依 法 享 有 和 承 担 由 此 论 文 产 生 的 权 利 和 责 任 声 明 人 ( 签 名 ): 年 月 日

厦 门 大 学 学 位 论 文 著 作 权 使 用 声 明 本 人 完 全 了 解 厦 门 大 学 有 关 保 留 使 用 学 位 论 文 的 规 定 厦 门 大 学 有 权 保 留 并 向 国 家 主 管 部 门 或 其 指 定 机 构 送 交 论 文 的 纸 质 版 和 电 子 版, 有 权 将 学 位 论 文 用 于 非 赢 利 目 的 的 少 量 复 制 并 允 许 论 文 进 入 学 校 图 书 馆 被 查 阅, 有 权 将 学 位 论 文 的 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索, 有 权 将 学 位 论 文 的 标 题 和 摘 要 汇 编 出 版 保 密 的 学 位 论 文 在 解 密 后 适 用 本 规 定 本 学 位 论 文 属 于 1 保 密 ( ), 在 年 解 密 后 适 用 本 授 权 书 2 不 保 密 ( ) ( 请 在 以 上 相 应 括 号 内 打 ) 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 导 师 签 名 : 日 期 : 年 月 日

摘 要 摘 要 现 在 人 们 对 语 音 视 频 等 大 量 数 据 的 无 线 传 输 的 要 求 越 来 越 高, 由 此 出 现 了 许 多 高 速 通 信 系 统, 其 中 大 量 数 据 的 传 输 需 要 使 用 数 字 微 波 传 输 方 式 而 调 制 技 术 也 是 通 信 系 统 中 的 关 键 技 术, 通 信 系 统 的 性 能 在 很 大 程 度 上 由 其 调 制 系 统 的 调 制 方 式 所 决 定 因 此 连 续 相 位 调 制 (CPM) 方 式 作 为 一 种 高 频 带 利 用 率 的 调 制 方 式 十 分 适 合 应 用 在 数 字 微 波 中 设 计 的 高 速 通 信 系 统 但 是 在 数 字 微 波 中 的 CPM 接 收 机 的 复 杂 程 度 比 较 高, 不 利 于 实 现 与 成 本 的 降 低 所 以 本 文 的 主 要 的 工 作 就 是 围 绕 着 如 何 降 低 数 字 微 波 中 的 CPM 接 收 机 的 复 杂 度 本 文 首 先 介 绍 了 CPM 的 信 号 模 型, 以 及 CPM 的 调 制 分 式 和 最 优 解 调 方 式, 分 析 了 调 制 参 数 对 信 号 带 宽 以 及 信 号 解 调 复 杂 度 的 影 响 从 分 析 中 可 以 知 道 CPM 的 最 优 接 收 机 随 着 调 制 参 数 的 改 变 复 杂 度 可 能 变 得 很 高, 为 此 文 中 介 绍 了 CPM 的 几 种 简 化 接 收 机 设 计 虽 然 在 数 字 微 波 中 使 用 CPM 接 收 机 可 以 提 高 频 带 利 用 率, 在 有 限 的 带 宽 内 传 输 高 速 数 据, 但 是 CPM 信 号 在 数 字 微 波 中 采 用 的 是 非 相 干 解 调 方 式, 它 要 比 相 干 解 调 方 式 复 杂 度 高 出 好 几 倍, 因 此 数 字 微 波 中 的 CPM 接 收 机 的 设 计 成 本 会 比 较 高 所 以 在 性 能 损 失 不 大 的 情 况 下, 大 量 降 低 CPM 接 收 机 的 复 杂 度 就 变 得 相 当 重 要 本 文 提 出 一 种 使 用 差 分 软 判 决 方 式 来 降 低 CPM 接 收 机 复 杂 度 的 接 收 机 方 案, 它 是 将 该 软 判 决 方 式 融 入 到 CPM 非 相 干 差 分 解 调 的 设 计 中 通 过 具 体 参 数 设 计 出 CPM 接 收 机, 并 进 行 仿 真 测 试, 得 出 该 接 收 机 的 误 码 性 能 曲 线, 仿 真 的 结 果 表 明, 使 用 该 接 收 机 可 以 在 不 太 多 的 性 能 损 失 下 大 量 地 降 低 接 收 机 的 复 杂 度 最 后, 本 文 在 FPGA 上 实 现 了 该 接 收 机 的 设 计, 通 过 接 收 机 的 分 模 块 设 计 与 各 模 块 间 的 连 接 实 现 完 成 该 接 收 机 最 后 进 行 信 号 的 波 形 仿 真 与 数 据 的 分 析, 可 以 知 道 该 接 收 机 性 能 与 仿 真 性 能 一 致 关 键 词 :CPM; 差 分 ; 软 判 决 ; I

Abstract ABSTRACT With the increasing requirement of voice and video transmission capability in wireless channel, more and more wireless communication systems are created, and many of them are using microwave. In the communication system, the modulation is the key technique, affecting the performance of the communication system. The Continuous Phase Modulation (CPM) is suitable in digital microwave communication with the high spectral efficiency. But the CPM receiver in digital microwave system is quite complex and hard or expensive to implement. The content of this paper is to research a reduced-complexity receiver which is suitable in digital microwave. This paper first introduces the model of CPM signal, and the modulation and demodulation of CPM. After the analysis of the complexity of the receiver, the paper then introduces some previous work on reduced-complexity receivers for CPM. Although CPM is suitable for digital microwave communication, the CPM receiver is more complex than the traditional receiver, because of the use of on-coherent differential detection. So the 4 th chapter introduces a new reduced-complexity receiver combining the differential detection and soft- decision phase detection. With the simulation of this receiver, the result shows that the receiver can reduce the complexity of the receiver with some performance decline. At the end of this paper, the receiver is implemented with FPGA. With the design of modules and connection, the receiver is built. The function simulation result and the analysis of the data indicate that the implement of the receiver is correct. Key words: CPM; differential detection; soft-decision; II

目 录 目 录 摘 要... I ABSTRACT... II 第 一 章 绪 论...1 1.1 研 究 背 景...1 1.2 现 有 的 CPM 研 究 成 果...2 1.3 本 文 的 主 要 工 作...3 第 二 章 连 续 相 位 调 制 (CPM) 技 术 的 研 究...5 2.1 连 续 相 位 调 制 原 理...5 2.1.1 连 续 相 位 调 制 信 号 模 型...5 2.1.2 连 续 相 位 调 制 信 号 的 状 态...7 2.2 连 续 相 位 调 制 的 调 制...8 2.2.1 调 制 方 式 一...8 2.2.2 调 制 方 式 二...9 2.3 连 续 相 位 调 制 信 号 的 解 调...10 2.4 连 续 相 位 调 制 参 数 对 带 宽 的 影 响...13 2.4.1 调 制 指 数 h 的 影 响...13 2.4.2 进 制 数 M 的 影 响...15 2.4.3 关 联 长 度 L 的 影 响...15 2.4 本 章 小 结...16 第 三 章 连 续 相 位 调 制 的 简 化 接 收 机 的 研 究...18 3.1 Laurent 分 解...18 3.2 短 脉 冲 近 似...21 3.3 减 少 状 态 序 列 检 测...23 3.4 本 章 小 结...24 第 四 章 数 字 微 波 中 的 CPM 接 收 机 设 计...25 III

目 录 4.1 CPM 信 号 的 非 相 干 检 测...25 4.1.1 鉴 频 解 调...25 4.1.2 非 相 干 差 分 检 测...27 4.1.3 非 相 干 差 分 检 测 的 性 能 与 复 杂 度...28 4.2 CPM 信 号 解 调 中 的 软 判 决 算 法...30 4.3 差 分 软 判 决 CPM 接 收 机 的 设 计...35 4.3.1 差 分 软 判 决 的 分 支 度 量 计 算...36 4.3.2 差 分 软 判 决 的 实 例 分 析...37 4.3.3 差 分 软 判 决 中 的 状 态 转 换...40 4.4 接 收 机 的 Matlab 仿 真 与 结 果...43 4.4.1 发 送 端 仿 真...43 4.4.2 接 收 机 仿 真...44 4.4.3 仿 真 结 果 与 结 论...46 4.5 本 章 小 结...48 第 五 章 接 收 机 的 FPGA 实 现...49 5.1 FPGA 以 及 硬 件 描 述 语 言 介 绍 的 介 绍...49 5.2 接 收 机 的 模 块 介 绍...51 5.3 差 分 模 块 实 现 设 计...53 5.4 软 判 决 与 度 量 计 算 模 块 实 现 设 计...54 5.5 维 特 比 算 法 模 块 实 现 设 计...57 5.6 功 能 仿 真...58 5.7 本 章 小 节...61 第 六 章 总 结...62 攻 读 硕 士 学 位 期 间 的 学 术 论 文 及 参 与 项 目...63 致 谢...64 参 考 文 献...65 IV

Table of Contents Table of Contents Abstract... I Chapter1 Introduction...1 1.1 Research Background...1 1.2 Previous Work on CPM...2 1.3 Content of This Paper...3 Chapter2 Continuous Phase Modulation Technique...5 2.1 Continuous Phase Modulation Theory...5 2.1.1 CPM Signal Model...5 2.1.2 CPM Signal States...7 2.2 Modulation of CPM Signal...8 2.2.1 Modulation Method 1...8 2.2.2 Modulation Method 2...9 2.3 Demodulation of CPM Signal...10 2.4 The Effect of Modulation Parameter...13 2.4.1 The Effect of Modulation Index h...13 2.4.2 The Effect of Alphabet umber M...15 2.4.3 The Effect of Pulse Length L...15 2.4 Summarize...16 Chapter3 Reduced-Complexity Detectors for CPM...18 3.1 Laurent Represent...18 3.2 Shorter Pulse...21 3.3 Reduced State Sequence Detection...23 3.4 Summarize...24 Chapter4 CPM Receiver in Digital Microwave System...25 4.1 on-coherent Detection for CPM...25 V

Table of Contents 4.1.1 Frequency Discrimination...25 4.1.2 Differential Detection...27 4.1.3 Complexity of Differential Detection...28 4.2 Soft-Decision Phase Detection for CPM...30 4.3 Differential Soft-Decision Phase Detection for CPM...35 4.3.1 Calculation of Branch Metric...36 4.3.2 Example of Differential Soft-Decision Phase Detection...37 4.3.3 States in Differential Soft-Decision Phase Detection...40 4.4 Matlab Simulation and Result...43 4.4.1 Generation of CPM Signal...43 4.4.2 Simulation for Receiver...44 4.4.3 Result and Conclusion...46 4.5 Summarize...48 Chapter5 FPGA Implement of Differential Soft-Decision Receiver..49 5.1 FPGA Introduction...49 5.2 Modules of Receiver...51 5.3 Differential Module...53 5.4 Soft-Decision and Metric Calculation Module...54 5.5 Vitebi Decode Module...57 5.6 Function Simulation...58 5.7 Summarize...61 Chapter6 Conclusion...62 Research Work and Achievement During Pursing Master Degree...63 Acknowledgement...64 References...65 VI

第 一 章 绪 论 第 一 章 绪 论 1.1 研 究 背 景 二 十 世 纪 是 通 信 技 术 迅 猛 发 展 的 世 纪, 出 现 了 各 种 通 信 方 式 包 括 无 线 电 固 定 电 话 移 动 电 话 互 联 网 和 可 视 电 话 等 等 通 信 方 式 的 发 展, 方 便 了 人 们 之 间 的 联 系, 增 加 了 人 们 之 间 的 感 情, 深 刻 地 改 变 了 人 类 的 生 活 方 式 随 着 人 们 对 通 信 量 的 要 求 的 不 断 增 加, 通 信 系 统 的 传 输 能 力 也 必 须 不 断 地 提 高 调 制 技 术 是 通 信 系 统 的 关 键 技 术 之 一, 通 信 系 统 性 能 的 提 高 对 调 制 技 术 的 要 求 也 必 然 要 提 高 为 了 能 在 一 定 的 带 宽 内 得 到 较 高 的 传 输 速 率, 以 适 合 信 道 传 输, 而 又 能 在 比 较 低 的 信 噪 比 条 件 下 以 要 求 的 误 码 率 解 调 出 原 始 数 据, 调 制 方 式 一 般 要 满 足 几 点 要 求 :(1) 对 可 用 带 宽 的 频 谱 利 用 率 要 高, 单 位 带 宽 内 能 传 输 的 比 特 率 要 大 ;(2) 调 制 后 的 信 号 在 频 谱 上 有 较 少 的 旁 瓣 能 量, 防 止 对 邻 道 产 生 干 扰 ;(3) 调 制 信 号 的 抗 噪 声 和 抗 衰 落 能 力 要 好, 能 适 应 瑞 利 衰 落 信 道, 在 经 过 噪 声 干 扰 和 衰 落 后 能 达 到 解 调 性 能 的 要 求 ;(4) 调 制 方 式 的 选 择 要 便 于 实 现, 系 统 的 复 杂 度 不 能 太 高 连 续 相 位 调 制 (Continuous Phase Modulation) 之 所 以 受 到 广 泛 的 研 究 与 应 用, 主 要 基 于 它 的 二 个 重 要 的 特 点 [1][2]: 第 一 个 特 点 就 是 连 续 相 位 调 制 信 号 的 恒 包 络 特 性 因 为 在 功 率 受 限 且 RF 前 端 采 用 非 线 性 功 率 放 大 器 的 情 况 下, 为 防 止 包 络 的 非 线 性 失 真 导 致 信 息 丢 失, 就 需 要 采 用 恒 包 络 调 制 技 术 同 时, 在 一 些 低 成 本 低 复 杂 度 的 传 输 系 统 的 设 计 中, 恒 包 络 调 制 也 是 一 个 很 好 的 选 择, 比 如 蓝 牙 系 统 因 此, 具 有 恒 包 络 特 性 的 连 续 相 位 调 制 通 过 一 定 方 式 降 低 其 复 杂 度, 可 应 用 于 低 成 本 低 复 杂 度 的 传 输 系 统 中 第 二 个 特 点 是 它 的 带 宽 紧 凑 和 能 量 利 用 率 高 由 于 连 续 相 位 调 制 信 号 的 相 位 是 连 续 的, 边 带 能 量 小, 主 要 能 量 都 集 中 在 一 个 比 较 窄 的 带 宽 上 在 一 些 高 速 率 传 输 的 情 况 下, 为 了 减 少 信 号 占 用 带 宽, 常 采 用 连 续 相 位 调 制 一 个 连 续 相 位 调 制 信 号 主 要 有 三 个 参 数 : 进 制 数 调 制 指 数 和 成 形 脉 冲 函 数 通 过 修 改 这 三 个 参 数, 就 可 以 控 制 信 号 的 频 谱 利 用 率 1

数 字 微 波 中 CPM 接 收 机 的 设 计 与 实 现 连 续 相 位 调 制 技 术 的 恒 包 络 带 宽 紧 凑 和 能 量 利 用 率 高 等 优 点, 无 疑 使 它 成 为 一 个 需 要 高 速 传 输 或 者 频 谱 资 源 不 丰 富 情 况 下 的 理 想 传 输 技 术 然 而 连 续 相 位 调 制 信 号 的 特 点 也 使 接 收 机 的 设 计 复 杂 度 提 高 信 号 的 恒 包 络 意 味 了 信 号 的 非 线 性, 这 使 得 信 号 的 解 调 与 同 步 变 得 困 难 为 了 使 信 号 具 有 更 高 的 频 谱 利 用 率, 就 得 提 高 进 制 数 和 成 形 脉 冲 长 度, 随 着 这 些 参 数 的 提 高, 接 收 机 的 复 杂 度 也 会 急 速 地 提 高 由 于 在 高 速 数 字 微 波 通 信 应 用 中, 为 了 提 高 数 据 传 输 能 力 提 高 频 带 利 用 率, 连 续 相 位 调 制 一 般 需 要 采 用 较 高 的 进 制 数 和 部 分 响 应 调 制 ( 脉 冲 长 度 L>1), 这 就 使 得 接 收 机 复 杂 度 比 较 高 同 时, 在 数 字 微 波 中 的 连 续 相 位 调 制 接 收 机 较 多 采 用 一 阶 或 二 阶 符 号 差 分 的 非 相 干 解 调 方 式, 这 也 使 得 进 制 数 和 脉 冲 长 度 对 复 杂 度 的 影 响 更 大 ( 下 文 中 将 会 介 绍 ) 因 此, 本 文 的 主 要 内 容 是 在 允 许 范 围 的 一 定 性 能 损 失 下, 研 究 一 种 可 以 大 幅 度 降 低 接 收 机 复 杂 度 的 方 案 该 方 案 首 先 通 过 Matlab 进 行 数 值 仿 真 并 证 实 可 行 后, 之 后 采 用 VHDL 硬 件 描 述 语 言 实 现 1.2 现 有 的 CPM 研 究 成 果 关 于 连 续 相 位 调 制 (CPM) 的 研 究, 主 要 集 中 在 降 低 CPM 接 收 机 的 复 杂 度 方 面 将 接 收 机 的 复 杂 度 主 要 分 成 两 个 部 分 : 网 格 状 态 数 量 和 匹 配 滤 波 器 数 量 在 近 几 年 里, 对 这 两 个 部 分 的 研 究 都 有 一 系 列 的 研 究 成 果 Svensson,Sundberg 和 Aulin 在 文 献 [3] 中 提 出 的 一 种 简 化 接 收 机 方 案 可 以 同 时 减 少 状 态 数 量 与 滤 波 器 数 量 它 通 过 将 成 形 脉 冲 截 短 成 一 个 较 短 长 度 的 脉 冲 来 降 低 接 收 机 的 复 杂 度, 这 种 方 法 称 为 非 匹 配 接 收 机, 因 为 它 在 设 计 接 收 机 时 候 使 用 的 信 号 模 型 与 实 际 使 用 中 的 信 号 模 型 是 不 匹 配 的 有 许 多 的 研 究 成 果 是 从 单 独 减 少 匹 配 滤 波 器 的 方 面 上 进 行 的 这 些 研 究 主 要 集 中 在 使 用 一 组 正 交 的 基 函 数 来 取 代 匹 配 滤 波 器 的 作 用, 以 便 减 少 滤 波 器 的 数 量 例 如 在 [4] 中 使 用 Gram-Schmidt 算 法 来 计 算 得 到 正 交 基 函 数, 在 [5][6] 中 使 用 采 样 函 数, 在 [7] 中 采 用 Walsh 函 数 这 些 方 法 都 有 其 优 点 和 缺 点, 由 于 它 们 采 用 了 减 少 了 数 量 的 匹 配 滤 波 器, 所 以 也 都 可 以 称 其 为 非 匹 配 检 测 对 于 单 独 减 少 CPM 状 态 数 量 的 研 究, 也 有 许 多 的 研 究 成 果 在 [8] 中 提 出 了 一 种 在 网 格 中 使 用 搜 索 算 法 来 减 少 状 态 数 量 的 方 法 在 [9] 中 使 用 判 决 反 馈 的 方 法 来 减 少 网 格 状 态 数 量 这 些 方 法 只 能 减 少 网 格 的 状 态 数 量, 对 与 匹 配 滤 波 器 的 2

第 一 章 绪 论 数 量 没 有 丝 毫 作 用 Laurent 在 1986 年 提 出 来 一 种 对 CPM 信 号 的 新 的 分 析 方 法 [10] 在 文 中, Laurent 证 明 了 任 何 一 个 使 用 单 调 制 指 数 h 的 二 进 制 CPM 信 号 都 可 以 被 准 确 地 分 解 为 一 系 列 PAM 波 形 的 线 性 组 合 因 此 CPM 信 号 的 非 线 性 就 通 过 该 分 解 被 分 离 出 来, 转 换 成 原 始 码 元 与 新 码 元 的 非 线 性 变 换, 生 成 的 新 码 元 称 为 虚 假 码 元 Laurent 的 分 解 方 法 从 提 出 来 就 受 到 许 多 关 注 和 研 究 首 先 它 可 以 应 用 在 对 CPM 信 号 的 同 步 上 面 [11][12][13], 同 时 Kaleh 也 将 其 应 用 在 减 少 CPM 接 收 机 的 复 杂 度 上 面 [14] 由 于 Laurent 在 提 出 该 分 解 方 法 的 时 候 局 限 于 单 调 制 指 数 h 的 二 进 制 CPM 信 号 上, 而 且 h 还 必 须 是 非 整 数 Mengali 和 Morelli 在 [15] 中 将 其 扩 展 为 单 调 制 指 数 多 进 制 CPM 信 号 上 而 Huang 和 Li 在 [13] 中 将 其 扩 展 为 适 合 整 数 的 调 制 指 数 h 在 近 十 几 年 来, 有 许 多 对 降 低 CPM 接 收 机 复 杂 度 的 研 究 成 果 被 提 了 出 来, 在 这 里 无 法 一 一 叙 述 随 着 一 系 列 的 标 准 的 提 出 和 对 低 复 杂 度 的 要 求 都 在 推 动 着 CPM 接 收 机 朝 着 低 复 杂 度, 高 性 能 的 方 向 发 展 1.3 本 文 的 主 要 工 作 在 数 字 微 波 中 采 用 的 连 续 相 位 调 制, 由 于 使 用 锁 相 环 的 难 度 太 大, 一 般 都 是 采 用 非 相 干 差 分 检 测 但 是 由 于 CPM 信 号 非 相 干 差 分 检 测 复 杂 度 太 高, 因 此 本 文 的 主 要 研 究 工 作 是 在 由 清 华 大 学 与 久 华 信 公 司 合 作 的 数 字 微 波 产 业 化 项 目 的 背 景 下, 研 究 一 种 可 以 在 CPM 非 相 干 差 分 解 调 中 使 用 的 降 低 接 收 机 复 杂 度 的 解 调 方 案 本 文 首 先 在 第 2 章 介 绍 连 续 相 位 调 的 原 理 与 其 最 优 解 调 方 式, 分 析 了 CPM 信 号 的 最 优 接 收 机 的 复 杂 度 ; 之 后 在 第 三 章 将 介 绍 几 种 前 人 提 出 的 简 化 接 收 机 算 法, 分 析 这 几 种 算 法 的 复 杂 度 与 性 能 ; 然 后 在 第 四 章 里 提 出 的 一 种 适 合 在 高 速 数 字 微 波 通 信 中 应 用 的 CPM 接 收 机 设 计 方 案, 并 通 过 Matlab 对 系 统 进 行 仿 真 分 析, 确 定 系 统 的 可 用 性 最 后 第 五 章 在 FPGA 上 实 现 该 接 收 机 的 设 计, 并 通 过 波 形 仿 真 与 数 据 分 析, 确 定 该 系 统 的 正 确 性 本 文 的 主 要 创 新 工 作 有 以 下 几 点 : (1) 为 了 解 决 数 字 微 波 中 CPM 信 号 的 多 符 号 差 分 解 调 复 杂 度 太 高 的 问 题, 3

数 字 微 波 中 CPM 接 收 机 的 设 计 与 实 现 参 考 软 判 决 解 调 的 优 点, 提 出 一 种 差 分 解 调 与 软 判 决 解 调 结 合 的 ( 差 分 软 判 决 ) 新 型 接 收 方 式 ; (2) 对 差 分 软 判 决 方 式 进 行 理 论 分 析, 并 使 用 一 个 实 例 对 差 分 软 判 决 接 收 机 的 设 计 进 行 详 细 的 描 述, 之 后 使 用 仿 真 测 试 该 接 收 机 设 计 的 性 能 并 验 证 系 统 可 行 性 ; (3) 提 出 了 基 于 差 分 软 判 决 的 CPM 接 收 机 的 设 计 方 案, 给 出 了 系 统 中 主 要 的 几 个 模 块 的 框 图 与 设 计, 并 在 FPGA 上 实 现, 通 过 波 形 分 析, 验 证 了 接 收 机 设 计 与 实 现 的 正 确 性 4

第 二 章 连 续 相 位 调 制 (CPM) 技 术 的 研 究 第 二 章 连 续 相 位 调 制 (CPM) 技 术 的 研 究 本 章 在 介 绍 CPM 信 号 的 模 型 及 分 析 CPM 信 号 的 特 点 的 基 础 上, 根 据 CPM 信 号 的 模 型, 简 要 描 述 了 CPM 调 制 器 的 设 计 框 图, 并 对 连 续 相 位 调 制 (CPM) 进 行 比 较 全 面 阐 述, 重 点 介 绍 了 CPM 信 号 的 最 优 解 调 方 式 从 最 大 似 然 序 列 检 测 (MLSD) 准 则 上 出 发, 通 过 分 析 信 号 的 特 点 以 及 公 式 推 导, 解 释 了 最 优 接 机 的 设 计 方 式, 并 给 出 了 由 匹 配 滤 波 器 组 和 维 特 比 译 码 两 个 模 块 组 成 的 CPM 最 优 接 收 机 的 框 图 最 后, 通 过 修 改 CPM 信 号 的 调 制 参 数 来 观 察 调 制 参 数 对 CPM 信 号 占 用 带 宽 的 影 响, 对 优 选 调 制 参 数 和 改 善 CPM 的 调 制 性 能 有 指 导 意 义 2.1 连 续 相 位 调 制 原 理 2.1.1 连 续 相 位 调 制 信 号 模 型 连 续 相 位 调 制 信 号 可 以 用 下 式 表 示 : 2Eb St () = cos[2 π ft c + φ(, ti) + φ0] (2.1) T 在 式 中,E b 表 示 信 号 的 码 元 能 量,T 是 码 元 间 隔, 2 Eb T 即 表 示 信 号 幅 度 f c 是 载 波 频 率, φ (, ti) 是 带 有 传 输 信 息 的 信 号 相 位 函 数, 其 中 I 表 示 发 送 的 符 号 序 列 φ (, ti) 的 表 达 式 如 下 t n (2.2) n= φ(, ti) = 2 πh I g( τ ntd ) τ 其 中 I n 是 M(M=2,4,8,16 ) 进 制 的 符 号 信 息, 取 值 为 { ± 1, ± 3,..., ± ( M 1)} h 是 调 制 指 数 而 gt () 是 成 形 脉 冲 函 数, 脉 冲 函 数 gt () 有 以 下 三 种 形 式 : (1) 矩 形 脉 冲 REC: 1 0 t LT gt () = 2LT 0 其 他 (2.3) 5

数 字 微 波 中 CPM 接 收 机 的 设 计 与 实 现 (2) 升 余 弦 脉 冲 RC: 1 2π t [1 cos( )] 0 t LT gt () = 2LT LT 0 其 他 (2.4) (3) 高 斯 最 小 频 移 脉 冲 GMSK: T T 2 πbt ( ) 2 πbt ( ) gt () Q 2 Q 2 = 1 1 2 2 (ln 2) (ln 2) (2.5) 2 1 x Qt ( ) = exp( ) dt (2.6) t 2π 2 LT 表 示 脉 冲 的 长 度,L 又 称 为 关 联 长 度 L 对 于 CPM 信 号 来 说 是 一 个 很 重 要 的 参 数, 根 据 L 的 取 值 CPM 信 号 可 以 分 为 二 种 : L=1: 脉 冲 函 数 gt () 只 在 一 个 码 元 时 间 内 具 有 非 零 值, 信 号 的 复 杂 程 度 比 较 低, 解 调 比 较 容 易 这 样 的 CPM 信 号 称 为 全 响 应 CPM L>1: 脉 冲 函 数 gt () 在 L>1 个 码 元 时 间 内 具 有 非 零 值, 信 号 的 关 联 程 度 比 较 高, 解 调 比 较 复 杂 这 样 的 CPM 信 号 称 为 部 分 响 应 CPM 如 果 使 用 一 个 函 数 来 表 示 gt () 的 积 分 : 式 (2.2) 可 以 改 成 下 式 : t qt () = g( τ ) dτ (2.7) 0 φ(, ti) = 2 πh Iqt n ( nt) (2.8) n= qt () 称 为 相 位 响 应 函 数 由 于 qt () 是 一 个 连 续 的 函 数, 所 以 CPM 信 号 的 相 位 函 数 φ (, ti) 也 是 连 续 的 无 论 脉 冲 函 数 gt () 采 取 何 种 形 式 或 任 何 长 度, qt () 都 是 一 个 从 t = 0 开 始 连 续 上 升 的 函 数, 在 t = LT 的 时 候 达 到 最 大 值 1/2 0 t < 0 t qt () = g( τ) dτ 0 t LT (2.9) 0 1 t LT 2 > 6

第 二 章 连 续 相 位 调 制 (CPM) 技 术 的 研 究 2.1.2 连 续 相 位 调 制 信 号 的 状 态 根 据 q(t) 的 特 点, 在 T t < ( + 1) T 时 刻 内 可 以 对 式 (2.8) 做 分 解 : φ(, ti) = 2 πh Iqt ( nt) n n= L = 2 πh Iqt ( nt) + 2 πh Iqt ( nt) n n n= n= L+ 1 (2.10) 由 于 在 T t < ( + 1) T 时 刻 式 中 第 一 项 的 所 有 qt ( nt) 均 等 于 1/2, 所 以 可 以 改 写 为 : L φ(, ti) = πh I + 2 πh Iqt ( nt) n n n= n= L+ 1 = θ + θ(, ti) (2.11) 上 式 说 明 了 CPM 信 号 的 相 位 状 态 由 二 部 分 组 成, 第 一 部 分 θ 称 为 相 位 状 态, 其 值 与 相 位 响 应 函 数 qt () 无 关, 而 只 与 L 个 符 号 之 前 的 输 入 符 号 以 及 调 制 指 数 h 有 关 假 设 h= m/ p, 其 中 m,p 是 互 质 的 整 数 那 么 在 t = T 时 刻, 相 位 状 态 θ 可 能 的 状 态 为 : πm 2 πm ( p 1) πm θ 0,,,...,,m 为 偶 数 ; p p p πm 2 πm (2p 1) πm θ 0,,,..., p p p,m 为 奇 数 而 式 (2.11) 的 第 二 部 分 θ (, ti) 称 为 关 联 状 态, 表 示 最 近 的 L 个 符 号 对 当 前 相 位 的 贡 献 假 设 进 制 数 为 M 进 制, 那 么 在 t 号 = T 时 刻, 除 了 最 近 的 一 个 符 I 对 该 时 刻 没 有 贡 献 外, 共 有 L-1 个 符 号 对 相 位 有 贡 献 由 于 每 个 符 号 有 M 个 可 能 的 取 值, 在 h 与 p(t) 函 数 确 定 的 情 况 下, θ (, ti) 为 : 假 设 在 t 而 K 为 : 7 L 1 有 M 种 可 能 状 态 = T 时 刻,CPM 信 号 的 相 位 状 态 为 S, S 的 数 目 为 K 将 S 记 (,,,..., ) θ 1 2 L+ 1 S = I I I (2.12)

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