多模多制式调制信号发生技术

用户数据发射。 将上述信号调制到相应的载波上。
周建烨（1982） ，男，河北晋州人，工程师，研究方向：中频信号发生及分析
3. 硬件设计实现
随着 FPGA 器件的快速发展，其高速大容量可编程的特点使其得到广泛应用，该设计多 模多制式的设计需求， 需要选用 FPGA 进行设计， 主要完成数字信号处理。 另外， 由于 TD-LTE、 FDD-LTE 的高数据量高速的要求，需要 DDR2 作为多模信号或用户数据的存储介质。在基带 信号发生后,还需要将其 DAC 转换后用宽带正交调制器调制到各自载波上发射。另外，多模 多制式信号的发生需要不同码元速率的设计， 需要选用 DDS 分频出高分辨可变时钟。 所以该 设计选用“DDR2+FPGA+DAC+DDS+宽带调制器”硬件架构。其框图如下。
图 6 FIR 滤波器流程图
y(n) a0 x(n) a1 x(n 1) an1 x(n N 1)
式中，ai 为滤波因子；x(n)表示滤波器在 n 时刻的输入；y(n)为 n 时刻的输出。 由图 6 可知 FIR 滤波器主要由一些延时器、 乘法器和加法器等组成， 其频响的调整由滤 波因子来控制。 滤波因子可以通过对滤波器频响采样后经过反傅立叶变换来得到， 滤波因子 的物理意义是滤波器频响在时域上的反映，在该设计中可以利用 MATLAB 进行仿真，得到各 种滤波类型（RC、RRC、GAUSS） 、不同滚降系数（0.20-1.00）的滤波因子。滤波因子可以根 据用户需求和通信制式选用
FPGA 输出数据经过 DAC 转换， 低通滤波后由宽带正交调制器调制到相应的载 波上发射。
在频移键控 2FSK、4FSK、MSK 等调制格式时，需要设计不同的频偏来表示信息。在数字
电路设计中， 可以利用乘法器实现不同的频偏。 将 FIR 得到的数据乘以一个频偏因子 k 来控 制频移键控的频偏，由
FPGA
多制式调制信号 I路
多模信号或PSK/QAM通路 乘法器 插值 FIR 成型滤波
sin DDS cos
CIC
至I路DAC
多模通信信号 或用户数据
伪随机序列 +映射
频偏因子k FSK/MSK通路 插值 FIR 成型滤波
CIC
至Q路DAC
DDR2数据
Q路
多模信号或PSK/QAM通路
DDS 输出时钟
正交调制器 DAC DDR2 FPGA
数字信号处理
LO
0° 90°
RF
工控板 DAC 200MHz DDS
1GHz
图 1 硬件框图
4. FPGA 设计实现
该设计的重点设计为对多模多制式调制信号的数字信号处理，由 FPGA 完成，包括多模 信号或用户数据的插值、FIR 成型滤波、CIC 差值等处理；另外，多制式信号的伪随机信号 产生、映射、插值、FIR 成型滤波、频偏系数生成、DDS 及 CIC 插值等处理。FPGA 处理流程 见下图。
时钟处理
图 2 FPGA 处理流程 PN 码产生在时钟的作用下可以不断的产生原始的二进制伪随机序列，
XOR
a8
a7
a6
a5
a4
a3
a2
a1
a0
输出
图 3 PN9 序列示意图 然后将产生的伪随机序列进行编码及映射，以 QPSK 为例，每两个二进制编码构成一个 码元，即为{(00),(01),(10),（11）}四种状态，再映射为星座图上的相位点，如 IQ 两路幅
Multi-mod and multi-standard modulator signal generator design
abstract: with the development of the communication and digital technology, the market often need Multi-mod and multi-standard modulator generator, This paper gives a signal generator which introduce software radio and based on the “DDR 2+FPGA+DAC+DDS+Broadband Quadrature Modulator” hardware, achieve the multi-mod signal generator of TD-SCDMA,WCDMA,TD-LTE,FDD-LTE and the multi-standard signal generator of BPSK,QPSK,OQPSK,π 4DQPSK,8PSK,16QAM,32QAM,64QAM,2FSK,4FSK,GMSK an d so on, can meet the need of modern signal simulation very good. Keyword: multi-mod, multi-standard,FPGA
m ap ai k f f 可得 ＝ n 2 2 f f 2
(1)
式（1）中 map 为随机序列的映射值，a i 为 FIR 的各滤波因子, f 为频移键控的频偏， f 为 查正余弦表的时钟，n 为查表之前丢弃的数据位数（主要包括 FIR 和乘法器丢失） ，2 即为 正余弦表满量。由式（1）可得
多模多制式调制信号发生模块设计
周建烨
（中国电子科技集团公司第 41 研究所 蚌埠 233010） 摘要： 随着通信行业以及数字技术的不断发展， 市场上经常需要多模通信信号或wenku.baidu.com制式数字 调制信号发生器，本文介绍了采用软件无线电思想，基于“DDR2+FPGA+DAC+DDS+宽带调制 器”为硬件结构的信号发生装置，实现了 TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE 等多模信号 以及 BPSK、QPSK、OQPSK、π 4DQPSK、8PSK、16QAM、32QAM、64QAM、2FSK、4FSK、GMSK 等 数字调制信号的发生，能很好满足现代信号模拟的实际需求。 关键词：多模，多制式，现场可编程门阵列
1. 引言
本设计针对市场的实际需求以及多模通信信号和多制式数字调制信号的特点， 设计了以 FPGA 为主， “DDR2+FPGA+DAC+DDS+宽带调制器”为硬件架构的多模多制式通信矢量信号发 生装置， 利用 FPGA 可编程的特点， 尽量简化硬件设计的情况下， 可以发射 TD-SCDMA、 WCDMA、 π DQPSK、 TD-LTE、 FDD-LTE 等多模信号， 可以发射 BPSK、 QPSK、 OQPSK、 8PSK、 16QAM、 32QAM、 4 64QAM、2FSK、4FSK、GMSK 等多调制格式数字调制信号，并可以将用户数据灌入 DDR2，按照 用户实际需要发出。实现复杂信号模拟的功能。
h( n) z
n 0
N 1
n
，H(z)
在 z 平面有（N-1）个零点，原点 z＝0 是（N-1）阶重极点而无其它极点，因而是 稳定的； 在满足一定条件下（单位脉冲响应奇对称或偶对称） ，保证严格的线性相位。 它的基本算法是一种乘法－累加运算，即不断地输入样本 x(n)，经过 z-1 延时后，再 进行乘法－累加，最后输出滤波结果 y(n)。其实现流程和输出表达式如下所示。
2. 设计目的
1) 2) 多模通信信号：GSM/TD-SCDMA/WCDMA/TD-LTE/FDD-LTE 等通信制式非信令信号。 多制式调制信号： 3) 4) π DQPSK、 调制格式： BPSK、 QPSK、 OQPSK、 8PSK、 16QAM、 32QAM、 64QAM、 4 2FSK、4FSK、GMSK； 码元速率：2ksps~40Msps； 滤波类型 RC、RRC、GAUSS； α 因子/bt：0.2~1。
在该设计中， 基带信号的码元速率变化范围很大， 如果将成形后的数据直接通过输出给 D/A 转换器，输出信号必然带有 D/A 工作时钟信号，而我们设计的基带带宽大，要滤除时钟 但不影响信号，模拟低通滤波器将很难设计，所以我们增添了 CIC 插补滤波模块来提高 DAC 的采样时钟，CIC 滤波器可以用来实现抽取器和内插器，它具有结构简单、规整，需要的存 储量小的优点。由于它不需要乘法器，加之滤波器的所有系数均为 1，而且利用积分环节减 少了中间过程的存储量，因此常常用在高速采样和插值比很大的场合。CIC 插值滤波器实现 流程如下。
图 7 CIC 插值滤波器流程图 通过调节 CIC 插补滤波的插补比例， 使 D/A 转换器的时钟在小范围内变化， 并且最小时 钟信号也高于基带信号，这样 D/A 后模拟低通滤波器将很容易设计。例如，本设计要求码元 速率达到 2ksps~40Msps， 此时基带信号 1kHz~20MHz,这就要求 DAC 后低通滤波截止频率大于 20MHz，DAC 采样时钟理论上应该大于 20MHz，考虑工程实现应大于 40MHz，下表给出了该设 计针对码元速率变化所做的不同数据处理，通过改变 CIC 的插值率、每码元点数、可以实现 设计目的。 表 1 CIC 插值率与每码元速率选择表 码元速率 40MHz---20MHz 20MHz---6MHz 6MHz---2MHz 2MHz---1MHz 1MHz---500KHz 500KHz---250KHz 250KHz---125KHz 125KHz---62.5KHz 62.5KHz---31.25KHz 31.25KHz---15.625KHz 15.625KHz---7.8125KHz 7.8125KHz---3.90625KHz 3.90625KHz---2KHz 2KHz ---1KHz CIC 插值率 无 无 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8192 每码元点数 4 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 采样时钟(MHz) 160MHz ---80MHz 160MHz ---48MHz 192 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz ---64MHz 128 MHz –65.536 MHz 131.072 MHz –65.536 MHz
k
f 2 N 2 n f map ai
（2）
N 为正余弦表的有效位数。在设定频偏 f 的情况下可以求出对应的 k 值。
5. 多模通信信号及用户数据设置
多模通信信号主要处理流程和多制式信号类似， 关键是将数据源切换到前面仿真好后存 入 DDR2 的数据，并按照各通信标准分别设置码元速率、滤波类型和滤波因子等参数。具体 设置参照下表。 表 2 通信制式信号参数对应表 通信制式 相关参数 码元速率 1.28 Msps 3.84 Msps 30.72Msps 30.72Msps 2ksps~40Msps 滤波器类型 根升余弦（RRC） 根升余弦（RRC） 根升余弦（RRC） 根升余弦（RRC） RC/RRC/GAUSS 滤波因子 0.22 0.22 0.35 0.35 0.20~1.00 载波频率(MHz) 1880-2370 1920-2170 1850-2620 1710-2170 600-6000
度分别用 9 位补码表示，则为 hex{(1ff1ff),(1ff0ff),(0ff1ff),（0ff0ff）}，用 IQ 的幅 值来表示信号的矢量位置。QPSK 星座图见图 4。
图 4 QPSK 星座图 由于映射产生的是矩形脉冲信号， 信号幅度的突变也会使其占用的频带很宽， 不利于传 输，造成符号间干扰，导致接收机在检测一个符号时发生错误的概率增大，需要设计脉冲成 形滤波器， 而各种滤波器可以通过有限脉冲响应数字 FIR 滤波器来实现， 因为 FIR 滤波器有 两大优点： 单位脉冲响应 h(n)有限长，长度为 N 的 h(n)系统函数 H ( z )