CN105915481B - 多路高速宽带信号模拟相位调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多路高速宽带信号模拟相位调制方法，旨在提供一种耗费硬件资源小，信号速率可变的模拟相位调制方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在多路高速宽带信号模拟相位调制中，计算机通过422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速宽带速率连续可变数字信号或扩频调制信号的高速数据，FPGA将各路数字信号输出到矢量乘法器其中一个输入端，同时将多路模拟调制信号输入到矢量乘法器的另一个输入端，矢量乘法器将上述高速数据和模拟调制信号相乘完成二相相位调制和多路信号码分多址的调制；N路输入调制载波信号通过N路矢量乘法器输出N路模拟调制信号，经多路二相调制后的模拟调制信号，通过合路器合成为一路高速宽带模拟调制信号输出。

Description

多路高速宽带信号模拟相位调制方法

技术领域

本发明涉及一种可广泛用于通讯、测量、仪器仪表等信号处理领域中，对多路高速宽带信号模拟相位调制的一种方法。

背景技术

通信的最终目的是在一定的距离内传递信息。虽然基带数字信号可以在传输距离相对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。它们分别对应于用载波(正弦波)的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。理论上，数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都是属正弦波调制。但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。实现数字调制的方法有幅度调制、频率调制、相位调制等。数字相位调制又称为移相键控,它是利用载波相位的变化来传递数字信息的。其中绝对移相就是利用载波不同相位的绝对值来传递信息。即让所传输的数字基带信号控制载波相位的改变,而载波的幅度和相位都不变。那么就得到载波相位发生变化的已调信号。我们把这种调制方式成为数字相位调制即移相键控PSK调制。它的抗干扰和噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK和FSK。而相对移相就是利用载波相位的绝对值来传递信息,也就是利用前后码元载波相位的相对变化来传递信息,所以也称为“差分移相”。

通信系统可分为数字通信与模拟通信。传统的模拟通信系统，包括模拟信号的调制与解调，以及加性噪声对幅度调制和角度调制模拟信号解调的影响。随着数字技术的发展，原来许多不得不采用的模拟技术部分已经可以由数字化来实现，但是模拟通信还是比较重要的。相位调制与解调，调制在通信系统中具有重要作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多任务的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。在无线电通信中，角度调制(简称角调)是一种重要的调制方式，它包括频率调制和相位调制。频率调制简称调频用FM表示，它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化，而振幅保持不变的一种调制方式。我们称调频信号的解调为鉴频或频率检波。相位调制简称调相，用PM表示，它是使高频振荡信号的相位按调制信号的规律变化，其振幅也保持不变。调相信号的解调称为鉴相或相位检波。角度调制属于频谱的非线性变换，即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的内部结构，且调制后的信号带宽比原调制信号要大得多。虽然角度调制信号的频带利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力较强。宽带信号的形式主要包括宽带频率调制和宽带相位调制信号。现有高速宽带信号调制技术以FPGA为核心控制,在键盘的控制下,利用高速DDS芯片实现高速宽带信号的输出,并在此基础上完成宽频带的AM、FM、BPSK、FSK等调制信号以及扫频信号输出的技术。高速宽带调制的实现方法种类繁多，以往主要利用LC、RC振荡技术或者锁相环技术产生宽带正弦载波，再将这个宽带正弦载波与目标信号进行合成，从而实现高速宽带调制，但是由于这两种方法本身特性，速度很难提升，无法满足人们对信号宽频带、高速度、高质量以及易控性的要求。上述利用FPGA驱动高速DDS芯片产生高速宽带调制信号的方法可以满足人们的这些要求。该方法具备信号调整速度快、相对带宽宽、稳定度高、准确率高、易于参数调整以及计算机程控等多种优点，因此被广泛应用于电子设计、通讯和仪器仪表领域当中。现有数字模拟相结合的相位调制的方法，通常采用先数字调制后再上变频到高频段的方式，数字调制的缺点就是受到可编程器件性能和数模转换DA器件制约，只能实现数字中心频率低、带宽小、速率低等数字相位调制，多路数字相位调制输出中频信号需要耗费大量的数模转换DA器件，转换为模拟中频输出，再与多路模拟本振信号混频，得到需要的射频信号，成本高，而且模式不够灵活。而测控系统无论在研制或使用过程中，都需要有一套灵活、方便、可靠的方法。现有数字模拟相结合的相位调制的方法无法实现上述功能，给研制和使用方都带来诸多不便。

在图2所示的现有的多路信号数字模拟相结合的相位调制方法中，在FPGA中产生多路数字相位调制信号，然后通过多路DA将数字信号转换成模拟信号，再经过本振产生的射频信号，将信号进行变频处理，然后通过合路器将多路信号合成1路模拟信号，最后将合成的信号发射出去。在模拟通信中,为了提高信噪比,需要在信号传输过程中计算机对衰减的传输信号进行放大,信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加噪声累积越来越多,以致使传输质量严重恶化。而且直接输出多路模拟信号就需要多个DA模拟器件，这样就增大了硬件设计的成本，变的更加复杂。而且只能现在数字域上对数据进行处理，之后再DA输出变成模拟信号，无法直接在模拟信号上直接进行调制。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有数字模拟相结合的相位调制的方法技术存在的不足之处，提出一种耗费硬件资源小，成本低、速率高、调制模式灵活、输入信号频率可变、信号带宽大，能够实现多路高速宽带信号模拟相位调制的方法。

本发明提供的一种多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于包括如下步骤：在多路高速宽带信号模拟相位调制中，计算机通过422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速宽带速率连续可变数字信号或扩频调制信号的高速数据，FPGA将各路数字信号输出到矢量乘法器其中一个输入端，同时，也将多路模拟调制信号输入到上述矢量乘法器的另一个输入端，所述矢量乘法器将上述高速数据和模拟调制信号相乘完成二相相位调制和多路信号码分多址的调制；N路输入调制载波信号通过N路矢量乘法器输出N路模拟调制信号，每一路模拟调制载波信号经过矢量乘法器将FPGA输出的数据调制到模拟调制载波上，产生新的模拟相位调制信号，经多路二相调制后的模拟调制信号，通过合路器合成为一路高速宽带模拟调制信号输出。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

耗费硬件资源小，成本低。本发明采用通过计算机422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速数据，并将各路数据同时输出，送到矢量乘法器的其中一个输入端；把多路模拟调制信号输入到矢量乘法器的另一个输入端，经过矢量乘法器将数据和模拟调制信号相乘，实现二相相位调制，耗费的硬件资源小，成本低。能够实现对高速宽带信号的模拟相位调制，同时也可以实现原来低速窄带信号的模拟相位调制。输入的模拟信号支持的频率范围宽20MHz到2.4GHz，信号调制带宽宽，最大到230MHz。完成模拟相位调制，通过计算机422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速数据，FPGA可以产生不同信号速率的数据，信号速率可变。输入调制载波信号的中心频率支持20MHz到2.4GHz工作频率范围，输入调制载波信号的中心频率可变，可以支持N路信号输入，可实现多路的频分信号的调制；FPGA输出数字扩频码来调制信号，各路扩频码互不相同，且码间干扰非常小，可实现多路信号码分多址的调制。

速率高、误差小。本发明由于采用的多路模拟调制信号经过的是等长的线路，以同样的合路器最后合成到只有一路高速宽带模拟调制信号输出，输入到输出的延时能够保持一致，每一路模拟调制信号到最后合成输出的延时都是一致的，误差非常的小，可以达到几个ns的量级。其中输入端的调制载波信号频率可适应20MHz到2.4GHz。调制信号是数字扩频码调制信号，各路扩频码互不相同，且码间干扰非常小，可实现多路信号码分多址的调制。

灵活可靠。本发明由于数据模式，信息速率，输出开关以及通道选择等等，都是由计算机通过422串口来控制的，输出的数据内容可以是实时注入的有效数据或者扩频调制信号，信息速率的范围可以是几Hz到100MHz左右，而且具有每一路可单独控制，每一路数据都能同时输出，多路数据又可以灵活组合。并且不同和路数的信号合成可以实现BPSK调制或者QPSK调制。两路PN码不同的BPSK扩频信号经过合路器之后就可以变成QPSK扩频信号等等，信号调制十分灵活。

调制模式灵活，多样化。本发明输入的模拟调制载波是单载波时，经过FPGA输出的高速PN码调制之后就可以变成BPSK的扩频信号；输入的模拟调制载波是BPSK扩频信号时，经过FPGA输出的高速PN码调制之后经过二次扩频就可以变成二重扩频信号；模拟调制载波是BPSK扩频信号时，经过FPGA输出的有效数据调制之后，就可以变成带有数据的BPSK扩频信号；两路PN码不同的BPSK扩频信号经过合路器之后，就可以变成QPSK扩频信号等等，信号调制十分灵活。矢量乘法器实现移相功能，相位实现移相0°或180°；其结构简单，占用硬件资源较少，成本低，实现灵活的调制模式，频率可变、带宽大，速率高且可调

附图说明

下面结合附图和实例对本专利进一步说明。

图1是本发明多路高速宽带信号模拟相位调制原理框图。

图2是现有技术多路信号数字模拟相结合的相位调制原理框图。

具体实施方式

参阅图1。根据发明，在多路高速宽带信号模拟相位调制中，可以通过计算机422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速宽带速率连续可变数字信号或扩频调制信号的高速数据，FPGA将各路数字信号输出到矢量乘法器其中一端；同时，将多路模拟调制信号输入到上述矢量乘法器的另一个输入端，所述矢量乘法器将上述高速数据和模拟调制信号相乘完成二相相位调制和多路信号码分多址的调制；N路输入调制载波信号通过N路矢量乘法器输出N路模拟调制信号，每一路模拟调制载波信号经过矢量乘法器将FPGA输出的数据调制到模拟调制载波上，产生新的模拟相位调制信号，经多路二相调制后的模拟调制信号，通过合路器合成为一路高速宽带模拟调制信号输出。

计算机通过422串口控制调整多路数字信号的速率，码分多址扩频码的不同的初相与多项式，将多路信号数据实时注入到矢量乘法器中。多路模拟调制信号是高速宽带的信号，每一路输入的模拟调制载波频率范围可以从20MHz到2.4GHz。矢量乘法器可以采用型号为ADL5390的矢量乘法器，该矢量乘法器有两个输入端。每一路模拟调制载波经过矢量乘法器ADL5390，将FPGA输出的数据调制到模拟调制载波上，产生新的模拟相位调制信号。调制方式多样化，模拟调制载波是单载波时，经过FPGA输出的高速PN码调制之后就可以变成BPSK的扩频信号；新的模拟调制载波是BPSK扩频信号时，经过FPGA输出的高速PN码调制之后就可以变成二重扩频信号；模拟调制载波是BPSK扩频信号时，经过FPGA输出的有效数据调制之后就可以变成带有数据的BPSK扩频信号；两路PN码不同的BPSK扩频信号经过合路器之后就可以变成QPSK扩频信号等等。

实现上述多路高速宽带信号模拟相位调制方法的电路包括：一个可编程逻辑门阵列FPGA芯片、N个矢量乘法器、M个合成器和一台计算机，其中，计算机通过422串口连接电脑与可编程门阵列芯片FPGA，FPGA与N个矢量乘法器相连，N个矢量乘法器连接M个合成器。其中，计算机可以通过422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速数据，也可以配置FPGA产生高速伪码扩频信号。N路高速数据或高速伪码扩频信号通过FPGA输送分别到N个矢量乘法器的其中一个输入端，N路输入的载波信号分别送到矢量乘法器的另一个输入端分别生成N路高速宽带模拟调制信号，N个矢量乘法器产生的多路高速宽带模拟调制信号经过合路器合成一路码分或频分模拟调制信号输出。其中，矢量乘法器输入信号的调制载波信号频率可适应20MHz到2.4GHz。调制信号是数字扩频码调制信号，各路扩频码互不相同，且码间干扰非常小，可实现多路信号码分多址的调制。

上述电路中，在可编程逻辑门阵列FPGA芯片中实现高速数字信号的产生；矢量乘法器输入信号调制载波信号可以是射频单载波信号，也可以是已调制射频信号。

可编程逻辑器件FPGA可以输出很多路数字信号，产生多路高速、宽带、速率可变数字信号或扩频数字调制信号。矢量乘法器可以是市售型号为ADL5390的矢量乘法器。矢量乘法器可以实现移相功能，相位实现移相0°或180°。矢量乘法器的其中一个输入端为模拟调制信号f1(t)＝sin(ωt)，矢量乘法器的另一个输入端为FPGA输出的数字调制方波信号f2(t)＝±1，模拟调制信号f1(t)与FPGA输出的数字调制信号f2(t)通过矢量乘法器之后输出f(t)，且f(t)＝f1(t)*f2(t)＝(±1)*sin(ωt)，当f1(t)＝1时，矢量乘法器的其中一个输入端的模拟调制载波信号f(t)＝sin(ωt)，当f1(t)＝－1时，f(t)＝sin(ωt+π)，相位实现移相0°或180°，完成二相相位调制，其中，ω表示输入模拟调制信号的角频率，t表示的是时间。

Claims (10)

1.一种多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于包括如下步骤：

在多路高速宽带信号模拟相位调制中，计算机通过422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速宽带速率连续可变数字信号和扩频调制信号的高速数据，FPGA将各路数字信号输出到矢量乘法器其中一个输入端，同时，也将多路模拟调制信号输入到上述矢量乘法器的另一个输入端，所述矢量乘法器将上述扩频调制信号的的高速数据和模拟调制信号相乘完成二相相位调制和多路信号码分多址的调制；N路输入调制载波信号通过N路矢量乘法器输出N路模拟调制信号，每一路模拟调制载波信号经过矢量乘法器将FPGA输出的数据调制到模拟调制载波上，产生新的模拟相位调制信号，经多路二相调制后的模拟调制信号，通过合路器合成为一路高速宽带模拟调制信号输出。

2.如权利要求1所述的多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于：计算机通过422串口控制调整多路数字信号的速率，码分多址扩频码的不同的初相与多项式，将多路信号数据实时注入到矢量乘法器中。

3.如权利要求1所述的多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于：多路模拟调制信号是高速宽带的信号，每一路输入的模拟调制载波频率范围是20MHz-2.4GHz。

4.如权利要求1所述的多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于：模拟调制载波信号是单载波时，经过FPGA输出的高速PN码调制之后变成BPSK的扩频信号。

5.如权利要求1所述的多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于：模拟调制载波信号是BPSK扩频信号时，经过FPGA输出的高速PN码调制之后就变成二重扩频信号。

6.如权利要求1所述的多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于：模拟调制载波信号是BPSK扩频信号时，经过FPGA输出的有效数据调制之后变成带有数据的BPSK扩频信号。

7.如权利要求1所述的多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于：矢量乘法器输入端的信号是两路PN码不同的BPSK扩频信号经过合路器之后变成QPSK扩频信号。

8.如权利要求1所述的多路高速宽带信号模拟相位调制方法，其特征在于：矢量乘法器的其中一个输入端为模拟调制信号f1(t)=sin(ωt)，矢量乘法器的另一个输入端为FPGA输出的数字调制方波信号f2(t)=±1，模拟调制信号f1(t)与FPGA输出的数字调制信号f2(t)通过矢量乘法器之后输出f(t)，且f(t)=f1(t)*f2(t)= (±1)*sin(ωt)，当f1(t)=1时，矢量乘法器的其中一个输入端的模拟调制载波信号f(t)=sin(ωt)，当f1(t)=－1时，f(t)=sin(ωt+π)，相位实现移相0°或180°，完成二相相位调制，其中，ω表示输入模拟调制信号的角频率，t表示的是时间。

9.一种实现权利要求1所述方法的多路高速宽带信号模拟相位调制电路包括：一个可编程逻辑门阵列FPGA芯片、N个矢量乘法器、M个合成器和一台计算机，其特征在于：计算机通过422串口连接可编程门阵列芯片FPGA，FPGA与N个矢量乘法器相连，N个矢量乘法器连接M个合成器，其中，计算机通过422串口控制可编程门阵列芯片FPGA产生多路高速数据，配置FPGA产生高速伪码扩频信号。

10.如权利要求9所述的多路高速宽带信号模拟相位调制电路，其特征在于：N路高速数据或高速伪码扩频信号通过FPGA分别输送到N个矢量乘法器的其中一个输入端，N路输入的载波信号分别送到矢量乘法器的另一个输入端，分别生成N路高速宽带模拟调制信号，N个矢量乘法器产生的多路高速宽带模拟调制信号，经过合路器合成一路码分或频分模拟调制信号输出。