中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 黃 河

數(shù)字解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信系統(tǒng)中是非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，在軍用和民用方面都有廣泛的應(yīng)用。本文主要研究數(shù)字解調(diào)技術(shù)中常用的一種解調(diào)方式，即QPSK解調(diào)。近年來(lái)，隨著數(shù)字集成電路工藝和技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，由于FPGA的可編程性和并行處理的特點(diǎn)，廣泛使用于無(wú)線通信領(lǐng)域。本文主要研究了一種中頻接收機(jī)QPSK解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)方法，使用Vivado和Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了基于FPGA平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。

1 QPSK調(diào)制解調(diào)原理

四相相移鍵控QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）是一種常用的數(shù)字信號(hào)處理的調(diào)制方式，利用四個(gè)不同的相位來(lái)表示數(shù)字信息。QPSK調(diào)制的輸入數(shù)據(jù)是二進(jìn)制序列，將輸入數(shù)據(jù)兩兩分組，因此QPSK信號(hào)為00、01、10、11四種狀態(tài)，每一種狀態(tài)為雙比特碼元。QPSK信號(hào)規(guī)定了四種相位的載波，相位分別為45°，135°，225°和315°，QPSK調(diào)制信號(hào)每次可傳輸一個(gè)雙比特碼元，映射到4種相位的載波，來(lái)表征傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。QPSK調(diào)制原理圖如圖1所示。

圖1 QPSK調(diào)制原理圖

解調(diào)的方法一般分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)，對(duì)于QPSK調(diào)制信號(hào)，使用非相干解調(diào)。QPSK調(diào)制信號(hào)首先進(jìn)入數(shù)字下變頻（DDC）模塊，數(shù)字下變頻的作用是由載波同步模塊恢復(fù)出的載波信號(hào)與經(jīng)過(guò)帶通濾波器的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行混頻，然后通過(guò)低通濾波器濾波，得到0頻附近的基帶信號(hào)。再經(jīng)過(guò)判決抽取和串并變換即可得到正確的基帶信號(hào)了，在抽取判決的過(guò)程中，為了保證判決時(shí)刻能夠盡量靠近碼元中間位置，降低解調(diào)誤碼率QPSK解調(diào)原理圖如圖2所示。

圖2 QPSK解調(diào)原理圖

2 QPSK解調(diào)器的FPGA設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的QPSK解調(diào)器主要包括下變頻DDC模塊，解調(diào)模塊，載波同步模塊以及位同步模塊等。

2.1 DDC模塊設(shè)計(jì)

DDC完成60MHz帶寬內(nèi)中頻（基帶）有用信號(hào)的下變頻、抽取和濾波。其步驟分為低通濾波、抽取、低通濾波三個(gè)步驟。其中第一個(gè)低通濾波為高采樣率下的低通濾波，第二個(gè)低通濾波為抽取后低采樣率下的低通濾波。DDC實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 DDC流程設(shè)計(jì)

2.2 解調(diào)模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)解調(diào)一般采用相干解調(diào)方式，接收端需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波，因此需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行載波同步和位同步。本方案針對(duì)非合作解調(diào)場(chǎng)景，載波同步采用基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)，位同步采用數(shù)字鎖相位同步環(huán)實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 載波同步設(shè)計(jì)

載波恢復(fù)用于校正載波頻差及相位抖動(dòng)，以恢復(fù)正確的星座圖。本文的設(shè)計(jì)是通過(guò)判決反饋的方法去恢復(fù)載波。基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術(shù)原理如圖4所示。該方法是將判決后的信息進(jìn)行利用，相較于非判決反饋載波恢復(fù)性能更優(yōu)。

圖4 數(shù)字鎖相技術(shù)原理圖

判決前的采樣點(diǎn)與判決后的采樣點(diǎn)進(jìn)行復(fù)相關(guān)運(yùn)算，提取相位誤差，并通過(guò)環(huán)路濾波器和NCO，將誤差補(bǔ)償?shù)奖镜禺a(chǎn)生的載波中，與信號(hào)相乘，以達(dá)到糾正頻偏和相偏的目的。

2.2.2 位同步設(shè)計(jì)

位同步存在兩種情形：當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)源為多比特?cái)?shù)據(jù)的情形，此時(shí)最佳判決時(shí)刻和位定時(shí)脈沖的條件需要同時(shí)滿足；當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)源是單比特?cái)?shù)據(jù)的情形時(shí)，僅需要將定時(shí)脈沖的頻率確定就可以。因此為了達(dá)到最佳判決的效果，本文采取適當(dāng)?shù)耐椒椒▉?lái)調(diào)整接收系統(tǒng)的判決時(shí)鐘。數(shù)字鎖相環(huán)位同步法，該方法采用鑒相器來(lái)調(diào)整位同步信號(hào)的相位，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的相位是一致的，這種方法由于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，非常適合使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖5所示。

圖5 位同步原理框圖

位同步的環(huán)路主要通過(guò)分頻器，鑒相器和控制器等構(gòu)成，在該環(huán)路中，鑒相器的作用是將輸入信號(hào)與本地估計(jì)信號(hào)的相位進(jìn)行比較，得到的超前或滯后的相位差信息，將該信息送給控制器，控制器產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)來(lái)改變數(shù)控振蕩器時(shí)鐘的相位和周期，將本地估計(jì)的信號(hào)的相位逼近輸入信號(hào)的相位。

2.3 仿真驗(yàn)證

使用Matlab生成QPSK調(diào)制信號(hào)，并存入txt文件中，根據(jù)QPSK解調(diào)原理，首先進(jìn)行數(shù)字下變頻(DDC)，然后進(jìn)行濾波，最后抽取并判別。圖6和圖7分別為Matlab和FPGA實(shí)現(xiàn)的濾波后和抽取后的波形，可見(jiàn)FPGA實(shí)現(xiàn)的波形與Matlab實(shí)現(xiàn)的波形相一致。將Vivado仿真后解調(diào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行對(duì)比，與Matlab結(jié)果一致，無(wú)誤碼，如圖8所示。

圖6 Matlab仿真波形圖

圖7 Vivado仿真波形圖

圖8 Vivado與Matlab結(jié)果對(duì)比圖

結(jié)束語(yǔ)：本文主要給出了一種在FPGA中實(shí)現(xiàn)QPSK解調(diào)的方法，通過(guò)Matlab和Vivado進(jìn)行聯(lián)合仿真，從算法和硬件實(shí)現(xiàn)的仿真都達(dá)到了較好的效果，在各階段的時(shí)序和波形進(jìn)行了驗(yàn)證。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于通信距離，通信質(zhì)量的要求越來(lái)越高，QPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)，因此提供一種實(shí)現(xiàn)方法具有一定的研究意義，同時(shí)該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于軍事，民用的通信領(lǐng)域中。