東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 李德鵬 牟海維 馮際彬 楊 成

基于 FPGA的QDPSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)

東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 李德鵬 牟海維 馮際彬 楊 成

在分析四相相對(duì)移相QDPSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，提出了一種碼元判別方法，通過(guò)原理設(shè)計(jì)、 VHDL語(yǔ)言編程、Modelsim仿真和FGPA編程實(shí)現(xiàn)，完成了QDPSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)下載試驗(yàn)，得到了良好的調(diào)制解調(diào)效果。

QDPSK；FPGA；調(diào)制解調(diào)；碼元判別

QDPSK(Quadrature Differential Phase Shift Keying)通常稱為正交差分相移鍵控[1-3]，是利用前后碼元之間的四種不同的相對(duì)相位變化來(lái)表示四進(jìn)制數(shù)字信息的調(diào)制方式[4，5]。QDPSK調(diào)制技術(shù)是一種恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，受系統(tǒng)非線性影響小，具有較高的帶寬利用率和功率利用率，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)、寬帶接入、移動(dòng)通信及有線電視系統(tǒng)之中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制方式。

1.QDPSK調(diào)制系統(tǒng)

1.1 基本原理

QDPSK信號(hào)可表示為：

式中：A為常數(shù)；kθ為第k個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的相位，它可以取4種相位(如0、、、，從式(1)中可以看出QDPSK是一種恒包絡(luò)調(diào)制。

QDPSK調(diào)制系統(tǒng)每個(gè)碼元包含2bit信息，通常被稱為雙比特碼元，用ab代表這兩個(gè)比特，它們有00、01、11和10四種組合，利用這四種不同的四進(jìn)制數(shù)字信息來(lái)表示前后碼元之間的四種不同的相對(duì)相位變化，則信息編碼與載波相位關(guān)系可表示于表1所示。

表中kθΔ是相對(duì)于前一相鄰碼元的相位變化。這里有A和B兩種方式，A方式中的kθΔ取值0°、90°、180°、270°；B方式中的kθΔ取值45°、135°、225°、315°。

在B方式中相鄰碼元間總有相位改變，故有利于在接收端提取碼元同步。另外，由于其相鄰碼元相位的最大相移為± 1 35°，比A方式的最大相移小，故在通過(guò)頻帶受限的系統(tǒng)傳輸后其振幅起伏也較小。本系統(tǒng)即采用B方式作為調(diào)制方式。

1.2 調(diào)制器的FPGA實(shí)現(xiàn)方式

QDPSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

系統(tǒng)調(diào)制過(guò)程為：串行輸入碼元i_data經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換s_to_p模塊后變?yōu)椴⑿写a元o_a和o_b，并行碼在ab_to_cd模塊中進(jìn)行碼變換得到差分碼o_c和o_d，編碼后的碼元在相位選擇ph_sel模塊中選擇載波需要輸出的相位o_ph，最后由數(shù)控振蕩器nco模塊輸出調(diào)制信號(hào)data_o。

2.QDPSK解調(diào)系統(tǒng)

2.1 極性比較法的改進(jìn)

QDPSK信號(hào)的解調(diào)方法有極性比較法和相位比較法兩類。本文在傳統(tǒng)的極性比較法基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種極性判斷方法。

表1 QDPSK雙比特碼元與載波相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 判決規(guī)則

圖1 調(diào)制系統(tǒng)電路模型

圖2 解調(diào)系統(tǒng)RTL示圖

圖3 FIR頻率響應(yīng)

圖4 QDPSK調(diào)制的仿真波形

圖5 解調(diào)仿真波形圖

根據(jù)經(jīng)低通濾波后的信號(hào)波形的特點(diǎn)，這里對(duì)信號(hào)進(jìn)行了整形，令濾波后信號(hào)的峰值為 Af，將信號(hào)幅值大于的碼元判斷為+1，將信號(hào)幅值小于大于的碼元判斷為0，將信號(hào)幅值小于的碼元判斷為-1。整形后的波形通過(guò)表2所給出的判決規(guī)則即可得到碼元信號(hào)的相位。

傳統(tǒng)的QDPSK極性比較法利用的是雙極性碼元判決方法，該方法在極性判別完成后還需要通過(guò)鎖相環(huán)提取碼元同步信號(hào)進(jìn)行碼元判斷。而本文在實(shí)際工程應(yīng)用中通過(guò)增加碼元一位極性的方法發(fā)現(xiàn)，碼元在固定的同步載波相位處發(fā)生變化，并在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，使得在碼元判斷中只需在同步載波信號(hào)的 0°相位處進(jìn)行碼元判斷即可，從而避免了用鎖相環(huán)提取碼元同步這一步驟。該過(guò)程的實(shí)際工程仿真波形可在圖5中看到。

2.2 QDPSK解調(diào)器的FPGA實(shí)現(xiàn)方式

解調(diào)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)模型如圖2所示。

mult為乘法器模塊用于輸入信號(hào)已調(diào)制信號(hào)i_data與載波同步信號(hào)i_sin和o_cos相乘，相乘后的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)filter低通濾波模塊濾除載波二倍頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)兩路操作，一路是通過(guò)鎖相環(huán)ph_loop和數(shù)控振蕩器vco構(gòu)成載波同步模塊，提取載波同步信號(hào)；另一路通過(guò)抽樣判決模塊sample、逆碼變換模塊recode和并串轉(zhuǎn)換模塊p_to_s得到原始的串行數(shù)據(jù)。

2.3 低通濾波器的設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器分為IIR濾波器和FIR濾波器。IIR濾波器設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但難以保證線性相位。FIR濾波器雖然稍微復(fù)雜一些，但能?chē)?yán)格保證線性相位，能夠始終穩(wěn)定工作。因此低通數(shù)字濾波器用FIR實(shí)現(xiàn)。利用matlab自帶的Digital filter design工具可以自動(dòng)生成FIR濾波器系數(shù)。本文設(shè)計(jì)采用的是21階FIR濾波器，根據(jù)仿真需要采樣頻率為250k，通帶頻率為7.8k，截止頻率為15.6k，其幅頻相應(yīng)圖如圖3所示。阻帶衰減大于20db滿足設(shè)計(jì)所需要的條件。

3.系統(tǒng)仿真結(jié)果

采用以上方法，選用Altera公司的主流低成本FPGA，CycloneII系列器件EP2C8Q208C8在Quartus II開(kāi)發(fā)平臺(tái)上對(duì)整個(gè)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合，并利用Modelsim進(jìn)行了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

圖4為調(diào)制系統(tǒng)的仿真波形，從上到下一次為載波同步時(shí)鐘clk_ad，輸入串行數(shù)據(jù)i_data，并行碼元o_a和o_b，變換碼元o_c和o_d，相對(duì)相位ph和輸出調(diào)制信號(hào)o_data。

解調(diào)系統(tǒng)的Modelsim硬件仿真波形如圖5所示。其中de_data為輸入的已調(diào)制信號(hào)，o_sin為載波同步模塊產(chǎn)生的一路正交相干載波，mu_sin為相乘后的波形，fir_sin為經(jīng)過(guò)低通濾波后的波形，data_one和data_two為整形后的數(shù)據(jù)，o_a和o_b為抽樣判決后的并行碼元，re_data是最后解調(diào)的串行數(shù) 據(jù)。

4.結(jié)語(yǔ)

QDPSK調(diào)制方式是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)調(diào)制方式，在抗干擾方面都優(yōu)于ASK和FSK系統(tǒng)，特別是在抗頻率選擇性衰落和多徑干擾方面，因此在第三代移動(dòng)通信的三個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中都無(wú)一例外地采取了該調(diào)制方式。FPGA使QDPSK調(diào)制系統(tǒng)成為一個(gè)完全的硬件構(gòu)架，比用傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的處理速度快，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且系統(tǒng)功能可以通過(guò)程序來(lái)修改和升級(jí)，具有很大的靈活性。整個(gè)系統(tǒng)在Quartus II環(huán)境下利用Verilog HDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，程序下載到FPGA芯片上，形成在線可編程嵌入式系統(tǒng)，不僅集成度高、功耗小、可靠性好、調(diào)試維護(hù)方便，而且形成了自己的技術(shù)內(nèi)核。

[1]LINN Y.A Self-normalizing Symbol Synchronization LockDetector for QPSK and BPSK[J].IEEE Trans-actions on WirelessCommunications,2006,5(02):347-353.

[2]Floyd M.,Gardner.A BPSK/QPSK timing error detector for sampled receivers.IEEE Transaction on Communicatio ns,1986,COM-34(5):423-429.

[3]齊剛,楊燕翔.基于DSP的QPSK調(diào)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,200917(1):26-27.

[4]周維龍,姚曉玲.基于FPGA的QPSK調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,8(4):99-101.

[5]郭培源,李煥杰.基于FPGA的QPSK解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(1):37-41.

注：本文屬國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（編號(hào)：101022033）。

李德鵬（1988—），男，黑龍江牡丹江人，現(xiàn)就讀于東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院。

牟海維（1963—），男，黑龍江綏化人，東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院教授，主要從事油汽井測(cè)試、信號(hào)處理等應(yīng)用方面的研究。