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基于FPGA的高速MPSK/MQAM信号解调算法设计与实现

作　者: 董政
导　师: 葛临东
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 高速解调器数字下变频多相滤波重采样分数间隔盲均衡 FPGA
分类号: TN911.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文致力于设计实现高速MPSK/MQAM信号的解调,其中包括高速数字下变频、盲均衡算法、载波同步算法、AGC算法等。在深入研究解调算法的基础上,依托硬件环境完成了算法设计及FPGA实现。论文工作是作者所在实验室承担的某大型重点工程项目的一部分。本文的主要工作和成果如下:1、针对高速信号的特点,结合FPGA实现,进行高速信号解调算法的总体设计,其中主要包括数字下变频和同步算法的结构设计。2、研究了数字下变频中NCO的原理,使用了一种乘法器和查表相结合的NCO实现方法,该结构只使用较少的乘法器和存储器,占用FPGA资源较少。在实际应用中使用结构简单的5级CIC滤波器作为大比率的抽取器,仅使用较少的逻辑资源就达到较好的抽取效果。在高速滤波方面,使用基于分布式算法的FIR滤波器,在不占用乘法器资源的情况下就可以完成高速滤波。3、高速重采样方面。针对传统重采样内插后会产生的高速数据FPGA难以处理的问题,提出了一种基于多相结构的高速信号重采样结构。这种结构避免了内插后高速数据的出现,适于FPGA编程实现。该结构通过多相内插后的直接抽取,将重采样结构简化为一个FIR滤波器和外围时序控制电路,较大的节省了运算量。4、分数间隔盲均衡方面,提出了一种使用定时算法代替抽取的分数间隔盲均衡的改进实现结构,该结构在完成均衡的同时能够达到符号定时的效果。该分数间隔盲均衡器改进结构的逆滤波器位于同步算法的最前端,能够使后续的同步算法不受信道畸变的影响。为了达到较好的均衡效果,在系数更新算法的选择上,对MPSK和MQAM信号分别使用了常模算法和双模式算法。5、根据FPGA实现的特点,定时同步方面采用Gardner定时算法,其复杂度低,适用于MPSK/MQAM信号,可用作分数间隔盲均衡改进算法的定时模块。载波同步方面,使用基于判决的载波同步算法,该算法资源占用较少,频偏捕获能力满足使用要求。AGC算法使用经典结构,对于解调器内的两处不同应用分别使AGC达到快调整和高精度,并有较大的动态调整范围。在算法研究和改进的基础上,从资源、速度以及精度三个方面对算法进行了优化,完成FPGA编程,并进行了整体调试。本文最后给出了使用信号源安捷伦E8267D和实际卫星信号的测试结果,测试结果表明该解调器实现了高速信号实时解调。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-11
摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-18
  1.1 课题研究背景  13-14
    1.1.1 软件无线电  13
    1.1.2 研究背景  13-14
  1.2 研究现状  14-16
    1.2.1 数字下变频  14
    1.2.2 同步技术  14-15
    1.2.3 数字自动增益控制与盲均衡  15-16
  1.3 本文的主要研究工作  16-17
  1.4 论文内容安排  17-18
第二章高速解调结构设计  18-26
  2.1 MPSK/MQAM 调制解调原理  18-19
  2.2 内插和抽取  19-22
    2.2.1 抽取  19-20
    2.2.2 内插  20-22
  2.3 高速数字下变频结构设计  22-24
    2.3.1 数字下变频原理  22
    2.3.2 数字下变频专用芯片(GC4016)  22-23
    2.3.3 高速数字下变频结构设计  23-24
  2.4 高速信号同步算法的结构设计  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章高速数字混频与滤波  26-38
  3.1 高速数字混频  26-30
    3.1.1 数控振荡器(NCO)  26-30
    3.1.2 数字混频的FPGA 实现  30
  3.2 高速数字滤波器  30-37
    3.2.1 级联积分梳状滤波器(CIC)  30-33
    3.2.2 高速FIR 滤波器  33-37
  3.3 本章小结  37-38
第四章高速重采样  38-44
  4.1 高速重采样的特点  38-39
  4.2 多相高速重采样  39-41
    4.2.1 多相内插原理  39-40
    4.2.2 改进多相滤波实现重采样  40-41
  4.3 重采样的FPGA 实现  41-43
    4.3.1 主要功能的实现  41-42
    4.3.2 滤波器阶数的选择  42
    4.3.3 任意分数倍重采样的实现  42-43
    4.3.4 误差分析  43
  4.4 本章小结  43-44
第五章分数间隔盲均衡  44-63
  5.1 符号间隔盲均衡  44-46
    5.1.1 概述  44
    5.1.2 常模均衡算法(CMA)  44-45
    5.1.3 多模盲均衡算法  45-46
  5.2 分数间隔盲均衡算法  46-49
    5.2.1 分数间隔均衡器(FSE)的多信道系统模型  46-48
    5.2.2 FSE 盲均衡模型  48-49
  5.3 分数间隔盲均衡改进(FSE-CMA-TIMING)  49-53
    5.3.1 FSE-CMA 算法  49-51
    5.3.2 分数间隔盲均衡算法改进  51-53
  5.4 FSE-CMA-TIMING 性能仿真与分析  53-55
  5.5 适用于QAM 信号的FSE-CMA-MMA-Timing  55-59
    5.5.1 CMA-MMA 双模式算法  56-57
    5.5.2 FSE-CMA-MMA-TIMING 算法仿真  57-59
  5.6 分数间隔盲均衡的FPGA 实现  59-62
    5.6.1 逆滤波器的FPGA 实现  59-60
    5.6.2 系数更新模块的FPGA 实现  60-61
    5.6.3 组合联调  61-62
  5.7 本章小结  62-63
第六章同步算法的高速实现  63-73
  6.1 Gardner 定时  63-68
    6.1.1 Gardner 定时算法  63-65
    6.1.2 性能仿真与分析  65-67
    6.1.3 Gardner 算法的FPGA 高速实现  67-68
  6.2 数字AGC 的设计与实现  68-70
    6.2.1 数字AGC 原理  68-69
    6.2.2 数字AGC 的FPGA 实现  69-70
  6.3 载波同步的设计与实现  70-72
    6.3.1 基于判决的载波同步算法  70-71
    6.3.2 载波同步的FPGA 实现  71-72
  6.4 本章小结  72-73
第七章高速信号解调器综合联调与验证  73-81
  7.1 硬件平台介绍  73-74
  7.2 解调器的总体实现  74-75
  7.3 高速解调器的联调与验证  75-79
    7.3.1 使用信号源验证  76-78
    7.3.2 使用实际信号验证  78-79
  7.4 本章小结  79-81
结束语  81-83
参考文献  83-86
作者简历攻读硕士学位期间完成的主要工作  86-87
致谢  87

基于FPGA的高速MPSK/MQAM信号解调算法设计与实现

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