ISCP-D2PSK调制在突发通信中的应用

ISCP-D2PSK调制在突发通信中的应用
作者：李寅博
来源：《中国新通信》 2017年第12期
【摘要】根据符号内连续相位二进制差分相移键控（ISCP-D2PSK）调制解调原理，设计了一种基于FPGA 的数字实现电路，并加入了多种扩频方式。

调制端使用ROM 存储基带信号，由
选择逻辑控制其输出。

解调端将收到的基带信号作归一化处理，并进行信号到达检测，最后由
一个可变换不同解扩系数的解扩解调单元处理得到解调数据。

该电路设计实现方便、占用硬件
资源较少，用FPGA实现后的测试结果验证了设计的正确性，并将其应用在了某高速运动平台间的突发通信中。

【关键词】 ISCP-D2PSK 连续相位扩频 FPGA 实现
一、引言
符号内连续相位二进制差分相移键控（ISCP-D2PSK）调制解调方法是在信号调制中，不同
的比特信息由符号内相位变化的累积量表示，接收端则通过积累一个符号内的相位变化累积量
来实现信号解调，和码元符号的绝对相位无关。

此调制方式的符号间相位为连续变化，使信号
有良好的功率谱，信号为准恒包络，解调时可以避免初相、多普勒频移等引起的符号间相位变
化对信号解调的影响[1]。

在某些高速运动平台间的突发通信中，多普勒频移大、通信帧短、速率要求高、硬件资源
紧张，如果用相干解调的方式，导频信号会占用较多的帧长，降低有效通信速率，且实现复杂。

本文则将ISCP-D2PSK 调制解调方法应用在了某高速运动平台间的突发通信中，用FPGA 实现了其数字调制和解调，发挥了其优点，并加入了不同的扩频方式。

最后对其进行了解调性能
测试，结果表明与理论基本一致。

二、ISCP-D2PSK 调制解调基本原理
ISCP-D2PSK 调制原理如图1 所示，基带信号由信号选择逻辑根据输入比特符号和当前相
位状态在基带信号集合中选择一个基带I、Q 信号作为调制信号输出，同时更新相位状态存储
器中的状态值。

然后将I、Q 信号进行正交调制得到中频信号。

图1 输入比特数据、基带信号和状态转移的关系如表1所示，表中项目为“输出基带信号
/ 输入比特”。

三、ISCP-D2PSK 调制解调的FPGA 实现
3.1 ISCP-D2PSK 调制
ISCP-D2PSK 调制主要由标准基带信号存储ROM、信号选择逻辑单元和Nbit 计数器、正交
调制几部分组成，如图2所示。

在实现中，设采样率为符号率的2N 倍。

标准基带信号存储ROM 存有8 种基本I、Q 信号
的定点数据，地址0~（2N-1）存储波形S0 的2N 个定点数据，地址2N ~（2×2N -1）存储波形S1 的2N 个定点数据，以此类推。

信号选择逻辑根据输入数据比特流按表1 的关系生成基本I、Q 信号选择值i，i 按符号
率进行更新，并用其控制标准基带信号存储ROM 的高3 位地址。

Nbit 计数器按采样率进行自加，用其计数值控制标准基带信号存储ROM 的低N 位地址，
即可将所选的一种基本I、Q 信号的定点数据按顺序输出。

最后将I、Q 信号进行正交调制，输出中频信号。

本设计包括了多种扩频方式，因此在前端对数据比特流进行了是否重复的处理。

不扩频将
数据原样调制，扩频则将数据重复调制。

3.2 ISCP-D2PSK 解调
ISCP-D2PSK 的解调器主要由数字下变频（DDC）、归一化、到达检测、解调几个单元组成，如图3 所示。

解调器首先将按符号率M 倍采样的数字信号通过DDC得到基带I、Q 数据，之后对I、Q
数据进行归一化处理。

归一化后的数据首先在到达检测单元进行计算，当检测到信号到来时，
开始对数据进行ISCP-D2PSK 解调。

DDC 按通用的数字下变频实现方法设计[2]，下面重点介绍
其他几个单元的实现。

3.2.1 归一化单元
对采样数据的归一化处理是为了消除信号幅度受噪声的影响，只保留噪声对相位的干扰，
同时也可以扩大解调的动态范围。

首先将I、Q 信号分别平方相加，再开方，得到（即，复数求模）。

为了做除法后仍然能
得到解调所需位宽的定点数据，将I、Q 信号分别左移n 位（n 值由解调使用的定点数据位宽
决定）。

然后将左移n 位后的I、Q 信号延时一定的时钟，除以得到归一化后的I、Q 信号。

突发信号会在发送的数据前端加入PN 序列进行调制，接收端通过检测PN 序列的到来，实现对信号的定时同步，信号达到检测单元即可实现此功能，其结构如图5 所示：
首先，将I、Q 路信号进行数学运算，得到每个符号段的相位变化累积量，将结果与本地
序列做相关，当没有接收到正确信号时，相关值较小，当有信号到达时，相关值出现峰值。

因
此可以利用相关峰的变化来确定符号的开始，给出信号到达指示，开始信号解调。

3.2.3 解调单元
解调单元主要实现对数据的解扩解调，由扩频系数控制不同的解扩解调，如图6 所示。

设采样率为符号率的M 倍，将I、Q 路的采样数据分别用m×M 个移位寄存器存储。

按解
调原理中描述的方法，对每个符号的采样数据进行一级运算即可得到不扩频的解调数据，对每
两个符号的采样数据进行两级运算即可得到2 倍扩频的解调数据，以此类推，对每m 个符号的采样数据进行n级运算即可得到m 倍扩频的解调数据（其中，2(n-1)=m）。

在实现中，将几种
扩频系数的解调单元融合到一起，由扩频系数控制取不同计算位置的数据，即可分别得到不同
扩频系数的解调数据。

如此，节省了硬件资源，方便了多种解扩解调的自适应变换。

四、解调性能测试结果
按以上的方法在Xilinx 的FPGA 芯片上实现了ISCPD2PSK的调制解调算法，占用了较少的FPGA 资源。

我们对实现后的解调性能进行了测试，图7 给出了不扩频方式的解调误码率性能与仿真结
果的对比。

可以看出实测性能比仿真稍有下降，这是因为FPGA 定点计算的损失和硬件底噪的
影响。

图8 给出了不扩频方式的抗频偏性能测试结果，可以看出频偏在200kHz 以内，对解调
性能基本无影响。

五、结论
本文用FPGA 实现了ISCP-D2PSK 调制解调算法，并加入了多种扩频方式。

调制设计简单，资源占用很少。

解调设计时将不同扩频系数的解扩解调在一个解调单元里实现，方便不同扩频
系数的自适应解扩解调变换，进一步节省了FPGA 资源。

测试结果验证了FPGA 设计的正确性，并将其应用在了某高速运动平台间的突发通信中。

参考文献
[1] 张剑. 符号内连续相位差分相移键控调制方法[J]. 电讯技术,2010,50(8):63-66.
[2] 陈洁, 林伟, 黄世震. WCDMA 直放站数字下变频的FPGA 实现[J]. 计算机与数字工程, 2011,259(5):153-156.
[3] 曹志刚, 钱亚生. 现代通信原理[M]. 清华大学出版社,2000.
[4] 王金明. 数字系统设计与Verilog HDL[M]. 电子工业出版社, 2009。