摘要：提出一種基于時(shí)間測(cè)量的BPSK信號(hào)非相干解調(diào)方法，給出了信號(hào)解調(diào)、同步時(shí)鐘提取的原理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。該方法可以軟件實(shí)現(xiàn)，亦可硬件實(shí)現(xiàn)，并可同時(shí)輸出與解調(diào)數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘，為使用單片機(jī)或可編程器件實(shí)現(xiàn)BPSK信號(hào)解調(diào)提供了一個(gè)有效的低成本方案。

關(guān)鍵詞：BPSK 非相干 解調(diào)

二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）是一種常用的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式，廣泛用于衛(wèi)星、微波通信、廣播電視等諸多領(lǐng)域。BPSK信號(hào)是抑制載波的雙邊帶信號(hào)，信號(hào)中不存在載頻分量，因而BPSK信號(hào)的相干解調(diào)需要通過非線性變換，如Costas環(huán)、平方環(huán)電路、數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）技術(shù)等方法提取載頻信號(hào)，需要較為復(fù)雜的載波恢復(fù)電路。近年來，隨著智能卡、RFID、BlueTooth等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，較低碼率的BPSK在近距離無線產(chǎn)品中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用，因而成本較低的BPSK非盯干解調(diào)越來越受重視。在BSP的非相干解調(diào)方法中，比較重要的是移相鍵控信號(hào)的非相干反饋判決接收機(jī)和多符號(hào)似然接收機(jī)。文獻(xiàn)針對(duì)文獻(xiàn)中的部分電路用似然方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，指出這兩種接收機(jī)是相互關(guān)聯(lián)的。文獻(xiàn)對(duì)反饋判決接收機(jī)和多符號(hào)似然接收機(jī)的性能進(jìn)行了分析，指出兩者性能相近，而反饋判決接收機(jī)結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單些，因而在實(shí)現(xiàn)上更有吸引力。文獻(xiàn)提出了基于知識(shí)優(yōu)化的PSK信號(hào)的非相干解調(diào)，并介紹了一種反饋判決式的延遲遞歸解調(diào)結(jié)果。上述文獻(xiàn)均從模擬信號(hào)處理的角度給出了移相鍵控信號(hào)的非相干解調(diào)方案，其結(jié)構(gòu)比相干方式有所簡(jiǎn)化，但是仍然需要較多的硬件電路。此外，還有一類較為實(shí)用的中低速BPSK信號(hào)的非相干解調(diào)方法：文獻(xiàn)給出了一種精巧的BPSK解調(diào)電路，該電路通過引入一個(gè)窄帶振蕩器，使其中心頻率與BSPK信號(hào)的載波頻率相等，當(dāng)BPSK信號(hào)通過該振蕩器時(shí)，因其通頻帶太窄，信號(hào)在碼元交替時(shí)刻的相移不能突變，使得BPSK的頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致振蕩器失諧和輸出電壓下降，利用這種電壓下降實(shí)現(xiàn)BPSK信號(hào)的非相干解調(diào)。文獻(xiàn)是利用BPSK信號(hào)在相位突變點(diǎn)有兩個(gè)半余弦周期的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)中亦額外使用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器。針對(duì)中低速BPSK的低成本解調(diào)需求，本文提出了一種基于時(shí)間測(cè)量的BPSK非相干解調(diào)方法。該方法將BPSK波形量化成數(shù)字脈沖串后，通過測(cè)量碼元交替時(shí)不同的時(shí)間間隔判決對(duì)應(yīng)的碼元類型，只需要很少的硬件電路進(jìn)行信號(hào)整形，同時(shí)還可以輸出與解調(diào)數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘。對(duì)于較高的碼率，該方法也可以用FPGA等可編程器件硬件實(shí)現(xiàn)，因而為使用單片機(jī)或可編程器件實(shí)現(xiàn)BPSK信號(hào)解調(diào)提供了一個(gè)有效的低成本方案。
1 BPSK信號(hào)特點(diǎn)及其波形變換

二進(jìn)制相移鍵控中，載波的相位隨調(diào)制信號(hào)1或0而改變。通常用相位0和π來分別表示1或0，則已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

x(t)=A·cos(2πf·t+φi) （1）

式（1）中，A為信號(hào)幅值、f為載波頻率、φi=0或π，分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制數(shù)據(jù)1或0。給出了BPSK信號(hào)的時(shí)域波形圖，設(shè)每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)三個(gè)完整的載波周期。

本文中，解調(diào)過程將基于對(duì)時(shí)間的測(cè)量。為準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，時(shí)間測(cè)量所用的觸發(fā)信號(hào)采用脈沖信號(hào)，因而在解調(diào)前，首先需要將所示的模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖。是BPSK信號(hào)轉(zhuǎn)換前后的對(duì)應(yīng)波形，其中VT+、VT-為轉(zhuǎn)換門限電平。為了減少誤碼率，應(yīng)盡量使VT+與VT-相等，從而使得脈沖的正負(fù)跳變沿對(duì)應(yīng)的BPSK信號(hào)相位做整體平移，以減少相位噪聲。上述脈沖形成電路可以通過施密特觸發(fā)器（帶正反饋的遲滯比較器）實(shí)現(xiàn)。
2 解調(diào)原理

輸出的脈沖串將作為本文方法的輸入，用以提取二進(jìn)制碼流及其同步時(shí)鐘。討論解調(diào)方法之前，首先觀察兩個(gè)碼元交替時(shí)刻的BPSK信號(hào)及其對(duì)應(yīng)脈沖串之間的時(shí)序關(guān)系，如。設(shè)BPSK的載頻周期為T。從可以看出，在兩個(gè)碼個(gè)交替時(shí)刻，從前一個(gè)下降沿（或上升沿）開始計(jì)時(shí)，如果在時(shí)刻T又出現(xiàn)了新的下降沿，對(duì)應(yīng)的碼元值不變（即0-0或1-1）。而在1.5T時(shí)刻出現(xiàn)新的下降沿時(shí)，對(duì)應(yīng)的碼元值有變化（即0-1或1-0）。根據(jù)，如設(shè)置一計(jì)時(shí)器，當(dāng)兩個(gè)相鄰脈沖下降沿之間的時(shí)間間隔為T時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn)；當(dāng)兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔為1.5T時(shí)，則對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)必然發(fā)生翻轉(zhuǎn)。是否發(fā)生碼元電平翻轉(zhuǎn)，明確對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同的時(shí)間間隔。據(jù)此，即可實(shí)現(xiàn)BPSK信號(hào)的非相干解調(diào)。

下面討論如何生成數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘。在上述解調(diào)過程中，如果相鄰數(shù)據(jù)電平發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，即可從解調(diào)數(shù)據(jù)得到一個(gè)同步時(shí)鐘沿；而當(dāng)相鄰數(shù)據(jù)沒有翻轉(zhuǎn)時(shí)，是無法直接生成相應(yīng)的時(shí)鐘跳變的。所示是一串比較長(zhǎng)的BPSK脈沖序列，其中每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的載波周期數(shù)為K（為簡(jiǎn)便起見，中每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的載波周期數(shù)仍為3）。由可見，如前后兩個(gè)碼元值有變化，從上一個(gè)碼元結(jié)束到下一個(gè)碼元開始，中間持續(xù)的時(shí)間可能為K-1個(gè)或者K個(gè)載波周期；如果前后兩個(gè)碼元值沒有變化，那么一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間可用K+1個(gè)載波周期表示。根據(jù)上述特點(diǎn)，如果在解調(diào)流程中再設(shè)置一個(gè)值為K+1的計(jì)數(shù)器，根據(jù)以上對(duì)T、K兩個(gè)參數(shù)的研究，信息碼流的解調(diào)用一個(gè)定時(shí)器即可實(shí)現(xiàn)；如需要同時(shí)得到同步時(shí)鐘，則必須結(jié)合定時(shí)器和計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，如。
根據(jù)和，如果前后兩個(gè)碼元值有變化，計(jì)數(shù)器計(jì)到K-1個(gè)或者K個(gè)載波脈沖后，定時(shí)器發(fā)出定時(shí)溢出信號(hào)Over，由該信號(hào)觸發(fā)生同步時(shí)鐘Clock和信息碼流Data，同時(shí)清零并重啟計(jì)數(shù)器和定時(shí)器。在此過程中，計(jì)數(shù)器因?yàn)橐恢睕]有計(jì)滿K+1個(gè)脈沖，它不發(fā)出任何信號(hào)；如前后兩個(gè)碼元值沒有變化，定時(shí)器始終不會(huì)產(chǎn)生溢出信號(hào)，此時(shí)應(yīng)在第K+1個(gè)載波脈沖到來時(shí)由計(jì)數(shù)器生成一個(gè)同步脈沖Clock，同時(shí)清零并重啟計(jì)數(shù)器和定時(shí)器。通過對(duì)上述定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的輸出作適當(dāng)?shù)碾娐方M合，即可得到所需的解調(diào)碼流Data和同步時(shí)鐘Clock。中，定時(shí)器定時(shí)長(zhǎng)度為T+ΔT，ΔT=∈[0，T/2]。顯然，當(dāng)ΔT=T/4時(shí)，系統(tǒng)的噪聲性能。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下面通過一個(gè)實(shí)際電路對(duì)上述解調(diào)方法進(jìn)行驗(yàn)證，如所示。其中，脈沖形成電路由一個(gè)帶正反饋電路的運(yùn)算放大器組成，實(shí)現(xiàn)所示的功能。解調(diào)部分完成所示的功能，由單片機(jī)內(nèi)固化的軟件來實(shí)現(xiàn)。
中，解調(diào)的實(shí)際情況由單片機(jī)AT89C2051完成。在具體的解調(diào)過程中，為保證速度，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器都工作在中斷方式，所有的解調(diào)操作也完全由兩個(gè)中斷服務(wù)子程序完成。給出了定時(shí)中斷和計(jì)數(shù)中斷的程序流程圖。
由簡(jiǎn)單計(jì)算可知，如果AT89C2051采用12MHz晶振，該驗(yàn)證方案能夠解調(diào)的BPSK信號(hào)的載頻約為25kHz。給出了從示波器上輸出的解調(diào)波形圖。實(shí)驗(yàn)中，BPSK模擬信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，信號(hào)載波為16kHz，對(duì)應(yīng)T=62.5μs;為了能在示波器上看清各種信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采取了較大的二進(jìn)制碼流速率，這里取5.33kbps，對(duì)應(yīng)K=3。中，上部為解調(diào)前的脈沖波形，下部為解調(diào)出來的數(shù)據(jù)碼流。解調(diào)出的數(shù)據(jù)為100101，可以清楚地看出信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從可以發(fā)現(xiàn)，輸入脈沖與解調(diào)碼流之間有信號(hào)滯后現(xiàn)象，且0、1碼的碼元寬度也不完全一致。但是，數(shù)據(jù)碼流與同步時(shí)鐘的關(guān)系卻始終是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中同步時(shí)鐘的脈沖寬度設(shè)為2μs，相對(duì)信號(hào)的寬度來說太窄，無法通過示波器拍照來觀察。筆者根據(jù)從示波器上的觀察，繪制了解調(diào)前的脈沖波形與解調(diào)后的數(shù)據(jù)碼流及其同步時(shí)鐘的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如。其中波形（a）為解調(diào)前的BPSK脈部信號(hào)，（b）為解調(diào)后的數(shù)據(jù)碼流Data，（c）為同步時(shí)鐘Clock?？梢悦黠@地看到，同步時(shí)鐘不是等周期的，但是它與數(shù)據(jù)碼流的對(duì)應(yīng)關(guān)系是確定的，因而不會(huì)影響到數(shù)據(jù)的正確解釋。
本文提出了一種基于時(shí)間測(cè)量的BPSK信號(hào)的解調(diào)方法，并通過實(shí)際電路進(jìn)行了驗(yàn)證。該電路已成功地用于實(shí)驗(yàn)皮衛(wèi)星的低碼率BPSK指令信號(hào)的解調(diào)中。本文方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)開銷小，解調(diào)參數(shù)T、K調(diào)整方便（只需修改兩個(gè)中斷程序的相應(yīng)參數(shù)即可），是一種實(shí)用、低成本的中低速BPSK解調(diào)方法。如需對(duì)更高載頻的BPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，則可采用具有更短指令周期的單片機(jī)，或采用CPLD、FPGA硬件實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

[1]. AT89C2051 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT89C2051_810086.html.
[2]. CPLD datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/CPLD_1136600.html.