基于QPSK数字调制解调的FPGA实现

随着FPGA技术的发展,数字通信技术与FPGA的结合体现了现代数字通信系统发展的一个趋势。为了使高速通信系统更加紧凑、成本更低、减小功耗，特别是提高设备的可靠性，可采用Q P S K数字调制技术来实现，其具有频谱利用率高、频谱特性好、抗干扰性能强、传输速率快等特点。运用verilog编写在QPSK调制解调代码以及ISE自带的IP CORE在Xilinx公司的FPGA平台上测试，结果表明系统可完全实现调制解调功能，并具有集成度高和可软件升级等优点。

四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点，广泛应用于数字通信系统。随着超大规模集成电路的出现,FPGA在数字通信系统中的应用日益广泛，目前已提出了多种基于FPGA实现QPSK的方法。本文基于FPGA实现直接数字频率合成（DDS），通过对DDS信号(载波信号)输出相位的控制实现调相，除DA转换外，其它过程均可以FPGA实现。QPSK调制信号是抑制载波的信号，无法用常规的锁相环或窄带滤波器直接提取参考载波，但它又不同于一些连续相位调制信号，其载波相位变化只能取有限的几个离散值，这就隐含了参考载波的相位信息。所以，可以通过非线性处理，消除信号中的调制信息，产生与原载波相位有一定关系的分量，然后再提纯该信号，恢复已被抑制的载波信号，进而完成信号的相干解调。本文所设计的QPSK调制解调器由于具有较好的频带利用率，具有体积小、功耗低、集成度高、软件可移植性强、扰干扰能力强的特点,符合未来通信技术设计的方向。

1.QPSK调制的基本原理

四相绝对移相键控QPSK是MPSK的一种特殊情况,它利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息,故每个四进制码元又被称为双比特码元。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a表示,后一比特信息用b表示。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码(即反射码)排列的,当ab为00时,载波相位为0°,当ab为01时,载波相位为90°,当ab为11时,载波相位为180°,当ab为10时,载波相位为270°。

QPSK信号的产生分为调相法和相位选择法。由于调相法比较常用,且实际操作性更强,故在本文中,选择调相法。用调相法产生QPSK信号的组成方框图如图1所示。图中,串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。设两个序列中的二进制数字分别为a和b,每一对ab称为一个双比特码元。双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制。将ab两路输出叠加,得到四相移相信号,其相位编码逻辑关系为:当双比特码元ab为11时,输出相位为315°的载波;ab为01时,输出相位为225°的载波;ab为00时,输出相位为135°的载波;ab为10时,输出相位为45°的载波,相应的对照关系如下表所示。

数据与相位的对照关系

传统的QPSK模拟调制器结构,一般采用正交调制方法。全数字调制器的实现仍采用正交调制方法,只是将模拟处理单元采用数字信号处理的算法实。QPSK采用四种不同的载波相位来表示数字信息，每个载波相位代表2比特信息，其实现有两种方法，相位选择法与正交调制法，相位选择法又分为A、B两种方式。本文采用相位选择法B方式来实现QPSK信号，如图1所示。

图1 QPSK调制框图

2.QPSK调制的MATLAB仿真

QPSK调制的MATLAB仿真相关的代码网上有很多，本文作者自己编写了一段代码，可以简单的表示调制的原理，在此仅将代码罗列如下，相的注释已经很清楚，不再赘述。代码要综合解调部分一起研读。

clear all;

clc

M=4;

Ts=1;

fc=5;

N_sample=8;%每个正弦波采样点数

N_num=300;%I Q路分别100个bit

dt=1/fc/N_sample;

t=0:dt:N_num*Ts-dt;

T=dt*length(t);

Noise=(1/500)*randn(1,length(t))*32767;%加入噪声

py1f=zeros(1,length(t));

py2f=zeros(1,length(t));

for PL=1:1:700%加入噪声强度加大

d1=sign(randn(1,N_num));

d2=sign(randn(1,N_num));

d=[d1;d2];

D=reshape(d,1,[]);%D是输入的信息序列

gt=ones(1,fc*N_sample);

s1=sigexpand(d1,fc*N_sample);%此为符号位扩展函数，相关函数在原代码中可见

s2=sigexpand(d2,fc*N_sample);

b1=conv(s1,gt);

b2=conv(s2,gt);

s1=b1(1:length(s1));

s2=b2(1:length(s2));

st_qpsk_1=s1.*round(cos(2*pi*fc*t)*32767);

st_qpsk_2=s2.*round(sin(2*pi*fc*t)*32767);

st_qpsk=st_qpsk_1+st_qpsk_2;%定点量化后的数据

%-----------------------------------------------------------

%                                               发射信号的功率谱

%plot((abs(fft(st_qpsk,2048))).^2);