基于DSP的信号解调QPSK.docx
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基于DSP的信号解调QPSK
成绩评定表
学生姓名
班级学号
专业
电子信息工程
课程设计题目
信号解调（QPSK）
评
语
组长签字：
成绩
日期
年月日
课程设计任务书
学院
信息科学与工程
专业
电子信息工程
学生姓名
班级学号
课程设计题目
信号解调（QPSK）
课程设计目的与要求：
（1）将模拟信号（QPSK调制）解调成数字信号。
（2）对QPSK解调算法有初步的了解。
（3）熟练使用CCStudio3.1。
工作计划与进度安排:
2016年11月26日选题目查阅资料
2016年12月03日查阅资料
2016年12月05日----2016年01月07日上机调试
2017年01月01日撰写课程设计报告、答辩
指导教师：
年月日
专业负责人：
年月日
学院教学副院长：
年月日
摘要
数字与模拟信号的调制解调是通信系统的核心。
随着目前DSP芯片的广泛应用,用软件来实现数字信号的调制解调将变得更加方便快捷,设备的微型化集成化也更容易达到。
为了设计出一种适合无线传输的基带调制解调单元（模块）,以TMS320C54xDSP芯片为基础,对QPSK解调的DSP算法进行了研究,重点讨论软件设计,并通过仿真证明该算法能够完成QPSK解调的全部功能。
关键词：
DSP;TMS320C54x;QPSK;解调
目录
1设计任务及目的1
1.设计任务1
2.设计目的1
2设计原理1
3QPSK解调的DSP实现8
1.Main.c8
2.psk_asm.asm9
3.Qpsk.cmd11
4结果12
5.结论与体会14
6参考文献15
信号解调（QPSK）
1设计任务及目的
1.设计任务
（1）将模拟信号（QPSK调制）解调成数字信号。
（2）对QPSK解调算法有初步的了解。
（3）熟练使用CCStudio3.1。
2.设计目的
本设计的目的在于通过使用CCStudio3.1软仿真来实现DSP中的QPSK解调过程，学会原理图设计，了解QPSK解调算法以及解调过程。
初步对QPSK解调进行程序设计，并在CCS开发环境下的软件调试，同时也加深学生对A/D实现过程和设计过程的理解。
2设计原理
现代通信的各个领域均向数字化方向发展，解调技术也不例外。
现在针对QPSK调制方式，提出一种全新的数字解调算法。
该算法允许本地载波由独立的固定频率振荡器产生，不需要锁相的反馈控制，而相干检测的所有其它功能均由数字信号处理模块完成。
它的功能框图如图1所示。
图1QPSK全数字解调框图
其中ω1是独立的接收载波频率，1/T是取样频率，T是QPSK的码组宽度。
最后的计算机模拟结果表明算法不仅能正确的解调QPSK信号，而且可以跟踪载波的慢漂移。
（一）QPSK解调方案
1）全数字解调算法的提出
参看上图，接收信号和接收端载波进行正交相乘之后，按1/T速率进行取样，则：
（1）
其中Ik、Qk为取样时刻同相和正交通路的样值，ψk是第k时刻对应QPSK码的相位样值，Өk=∆ωkT+Өo其中∆ω是收发两端载波角频率之差，T是QPSKM码组宽度，Өo是初始相差。
nI（k）、nQ（k）是同相、正交通道的噪声样值，它们也是呈高斯分布的白噪声，从Ik、Qk的表达式中可以看到，Ik、Qk中包含了全部码字信息及收发载波频差的信息，于是可以采用数字信号处理方法来恢复码源信息并估计出收发载波频差。
2）全数字解调算法的推导
设收发载波角频率差为∆ω，一般说载波飘移较慢，可以认为它在一段时间内不变，令Ω=∆ωT,则
（2）
其中Ik、Qk是可以观察的序列，ψk、Ω待估计，由前式得
（3）
其中Өn（k）是k时刻相位噪声。
令
则
（4）
其中
（5）
如果在收端时∆ψk做出了正确的判断∆ψk，则收发载波频差的第k个观察值
（6）
规定取模2π运算的值域为（-π，π），通常这个观察序列{Ωk}采用Kalman一阶预测算法，可以估计第k+1个Ωk+1。
如果已经有第k个频差的估计值，并假定估计无误，则取
（7）
由估计出的∆ψk就可以按差分规则得到ψk，于是可以判断出它是QPSK哪一个码组，从而恢复出QPSK信号的码元信息序列。
根据前面的分析可以得出如下数字信号处理框如图2，它是一个交叉耦合估计方案。
3）Kalman估计法估计载波频差
利用Kalman一步预测算法，可以得到载波频差估计的Kalman滤波算法。
（8）
图2QPSK全数字解调的数字信号处理框图
其中K为滤波器增益系数，是一个可调参数。
（9）
从第四部分计算机模拟结果可以看出，这里迭代初值Ω0选取范围较大，只要落在收敛范围内即可，一般以发射端标称频率未初始。
（二）QPSK全数字解调的噪声性能分析
1）算法对载波频差估计的均值
可以把坐标参考系旋转到Өk处，这样噪声可以看成试（r,Ө）的矢量，当它为窄带高斯白噪声时，r是瑞利分布，ω是在（-π，π）上均匀分布。
（10）
则有
（11）
由此可以得
（12）
又因噪声是白色的，前后时刻不相关，即
（13）
另外有：
（14）
因为Ω在（-π，π）之间有mod[Ω]=Ω，所以
（15）
也就是说对收发载波频差的观察是无偏的。
另外若在高信噪比条件下，k较大时，Ωk接近Ω，且抖动不大，则从Kalman预测公式中有
（16）
2）算法对载波估计值得方差
图3加性噪声干扰的角调制信号矢量
设信号S（t）=αcos（ω0t+Ө）,加性噪声。
（17）
它是零均值，则信号加噪声成为
（18）
其脚调制信号矢量图如上图所示，则相位噪声表达式为：
（19）
在高信噪比条件下在大部分时间里有Rn（t）<<α,所以
（20）
令φ（t）=0，则
（21）
因此相位的抖动近似可以看成是零均的。
现在再回过来看全数字解调算法中频差观察值。
（22）
于是我们可以得到噪声引起载波频差观察值的抖动方差为：
（23）
现在再看Kalman滤波后对频差估计的方差，在高信噪比条件下，我们有估计Ωk接近Ω，且其抖动也不大，则可得出下式：
（24）
两边求方差
（25）
根据前面的推导进一步得出：
（26）
再有，在k较大时，通过计算得出：
（27）
令平均信噪比
，则
（28）
即算法对频差估计的抖动方差和输入端信噪比成反比。
3）算法误码率推导
由前述算法可知
（29）
在高信噪比，k足够大时，上述三式可简化为
（30）
在前面的推导中已知Өn（k）为均零，因此∆ψk亦为高斯变量，相位估计也是高斯变量。
（31）
令x为均零，方差
的高斯变量，其概率分布
（32）
设发送的序列为先验等概，则由最小错误辨别准则，x的判决区近似为
及正确判决概率
（33）
误码率
（34）
3QPSK解调的DSP实现
1.Main.c
extern void qpsk（）;
#include "C54MATH.H"
DATA x[256];
DATA y[256];//正弦信号
DATA Pulse[256];//被调信号
DATA PskSignal[256];//QPSK调制信号
DATA PskSignal01[256];
DATA RecMeg[256];
DATA RecSig[256];
#define N 256
void main（）
{
Inti,j;for（i=0;i{
x[i]=i*0x1000;
}
sine（x,y,N）;
for（i=0;i{
j=i/32;
switch （j%4）
{
case 0:
Pulse[i]=-3;
break;
case 1:
Pulse[i]=-1;
break;
case 2:
Pulse[i]=1;
break;
case 3:
Pulse[i]=3;
break;
}
}
//调用汇编函数
qpsk
qpsk（）;
for（i=0;ifor（;;）{};
}
2.psk_asm.asm
.title"psk_asm.asm"
.global_qpsk ;定义为全局变量，提供给C调用
.global_y ;C程序变量
.global _Pulse ;C程序变量
.global _PskSignal ;C程序变量
.mmregs
.text
_qpsk:
rsbx CPL
stm #8-1,AR2 ;循环变量 256/32=8
stm #_y, AR4
stm #_Pulse, AR3
stm #_PskSignal, AR5
loop:
ld *AR3, A
bc phase0, AEQ ;若为0状态信号，则相移0
sub #1, A
addm #4, AR4 bc phase1, AEQ ;若为1状态信号，则相移pi/2
sub #1, A
addm #8, AR4
bc phase2, AEQ ;若为2状态信号，则相移pi
sub #1, A
addm #12, AR4
bc phase3, AEQ ;若为3状态信号，则相移3*pi/2
pskend:
addm #32, AR3
banz loop, *AR2- ret
phase0:
rpt #32-1
mvdd *AR4+, *AR5+
b pskend
phase1:
rpt #32-1
mvdd *AR4+, *AR5+
addm #-36,AR4
b pskend
phase2:
rpt #32-1
mvdd *AR4+, *AR5+
addm #-40,AR4
b pskend
phase3:
rpt #32-1
mvdd *AR4+, *AR5+
addm #-44, AR4
b pskend
.end
3.Qpsk.cmd
-c
-l rts.lib
-l c54math.lib
-stack 0x200
-heap 0x200
MEMORY
{
PAGE 0:
INT_PM_DRAM:
origin = 0080h,
length = 1000h
PAGE 1:
INT_DM_1:
origin = 1080h,
length = 01000h
}
SECTIONS {
.text:
{} > INT_PM_DRAM PAGE 0 .cinit:
{} > INT_PM_DRAM PAGE 0 .switch:
{} > INT_PM_DRAM PAGE 0
.data:
{} > INT_DM_1 PAGE 1
.stack:
{} > INT_DM_1 PAGE 1
.bss:
{} > INT_DM_1 PAGE 1
.sysmem:
{} > INT_DM_1 PAGE 1
.const:
{} > INT_DM_1 PAGE 1
4结果
仿真结果图
QPSK数字解调包括:
模数转换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。
在实际的调谐解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟工、Q基带信号是带有载波误差的信号。
这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。
此外，ADC的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。
校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法（DA）载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。
QPSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式,它被广泛应用于各种通信系统中.适合卫星广播。
例如,数字卫星电视DVB2S标准中,信道噪声门限低至4.5dB,传输码率达到45Mbös,采用QPSK调制方式,同时保证了信号传输的效率和误码性能.通过本文介绍和程序示例可以清楚的看到QPSK解调在A/D中的作用。
5.结论与体会
讨论一种QPSK解调的DSP实现方案,该方案利用CCS及MATLAB仿真已证明能够实现QPSK的解调功能。
此算法可以应用各种数字信号处理系统中的基带处理单元,完成数字信号的QPSK解调,然后送入中频发送单元从而完成数字信号的无线传输。
相信随着DSP芯片的广泛应用,有关于数字信号解调DSP实现的技术研究将会越越来深入,应用前景将更加广泛。
在整个设计过程中对我来说收获最大的是那些分析和解决问题的方法与能力。
从分析任务书到如何找到设计原理以及采用什么平台来实现原理都是环环相扣的一个过程哪一个步骤出现了问题都会给最终的设计带来麻烦。
我的理论知识和实际应用脱节它需要我将学过的相关知识都系统地联系起来对学过的理论进行深入的理解这就为我们以后进行社会生产打下了基础。
通过本次课程设计我真切的体会到了理论与实际工程的联系架起这座桥梁的就是我们的系统仿真。
也正是因为有了系统仿真这个模块才让我们的理论在不至于和实际工程相差很远也让我们在学校里就可以验证理论知识说到这里我不得不感到电子世界的奇妙。
对于我们在校大学生来说很难遇到很好的机会可以把理论运用到真正的实际工程中去因为我们没有经验也因为实际工程的严谨不存在尝试的可能性不允许有任何差错。
要完整的做好一个设计需要的不仅是懂得理论就可以了。
回顾这次课程设计感慨颇多在短短的四周时间里我不仅巩固了以前学过的知识还学到了很多新知识。
这次课程设计使我深刻认识到理论和实践相结合是很重要的只有理论知识是远远不够的只有把理论和实践结合起来从实践中得出结论才是真正自己掌握好的知识才能提高自己的实际动手能力和独立思考解决问题的能力。
同时完成课程设计的过程中我也发现了自己的很多不足。
比如有时候自己遇到问题做不出来就开始浮躁。
通过此次课程设计我知道了做科学需要严谨的态度和广褒的知识为我以后更好的学习指明了一个努力的方向。
我会不断的努力学习珍惜每次机会把专业学好锻炼自己独立思考问题的能力同时培养自己理论联系实际及动手的能力。
6参考文献
[1]TMS320C54xAssemblyLanguageTools[M].TexasInstrument
[2]TMS320C54xDSPAlgebraicInstructionSet[M].TexasInstrument
[3]周霖,DSP通信工程技术应用[M].北京,国防工业出版社
[4]赵红怡,DSP与应用技术实例[M].北京,电子工业出版社
[5]宋祖顺,现代通信原理[M].北京,电子工业出版社
[6]李勇,MATLAB辅助现代工程数字信号处理[M].西安电子科技大学出版社
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