毕业设计（论文）-基于FPGA的QPSK调制解调的仿真及相关软件设计.doc

1 引言11 研究背景 自1897年意大利科学家g.marconi首次使用无线电波进行信息传输并获得成功后，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数字调制信号有称为键控信号。在调制的过程中可用键控1的方法由基带信号对载频信号的振幅，频率及相位进行调制最基本的方法有三种：正交幅度调制（qam）、频移键控（fsk）和相移键控（psk）。作为数字通信技术中重要组成部分的调制解调技术一直是通信领域的热点课题。随着当代通信的飞速发展，通信体制的变化也日新月异，新的数字调制方式不断涌现并且得到实际应用2。目前的模拟调制方式有很多种，主要有am、fm、ssb、dsb、cw等，而数字调制方式的种类更加繁多，如ask、fsk、msk、gmsk、psk、dpsk、 qpsk、qam等。如果产生每一种信号需要一个硬件电路甚至一个模块，那么能产生几种、十几种通信信号的通信机的电路将相当复杂，体积重量将会很大，而且要增加新的调制方式也是十分困难的。在众多调制方式中，四相相移键控(quadrature phase shift keying，qpsk)信号由于抗干扰能力强而得到了广泛的应用3, 4，具有较高的频谱利用率和较好的误码性能，并且实现复杂度小，解调理论成熟，广泛应用于数字微波、卫星数字通信系统、有线电视的上行传输、宽带接入与移动通信等领域中5，并已成为新一代无线接入网物理层和b3g通信中使用的基本调制方式6。现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)是20世纪9年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着电子设计自动化(electrondesign automation eda)技术和微电子技术的进步，fpga的时钟延迟可达到ns级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面都有着非常广阔的应用前景7。fpga具有高集成度、高可靠性等特点，在电子产品设计中也将得到广泛的应用。fpga器件的另一特点是可用硬件描述语言vhdl对其进行灵活编程8，可利用fpga厂商提供的软件仿真硬件的功能，使硬件设计如同软件设计一样灵活方便，缩短了系统研发周期。基于上述优点，用fpga实现调制解调电路，不仅降低了产品成本，减小了设备体积，满足了系统的需要，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。在资源允许下，还可以实现多路调制。数字调制信号又称为键控信号。调制过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制。最基本的方法有3种：正交幅度调制(qam)、频移键控(fsk)、相移键控(psk)根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制（m进制)。多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。其中qpsk(即4psk)是mpsk(多进制相移键控)中应用最广泛的一种调制方式。本课题主要研究了基于fpga的qpsk调制解调电路的实现方法，并给出了max+plusii环境下的仿真结果。1. 2 国内外研究状况及趋势1.2.1 数字调制解调技术的发展现状数字信号调制是用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程，数字信号的调制设备包括数字信号处理（编码）单元和调制单元。 图1.1 数字通信调制系统框图首先将模拟信号数字化，然而数字信号序列进行编码码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码，一般包括扰码，r-s编码，卷积交织，卷积编码这几部分；有关调制单元的调制类型的分类：（1）按数据类型数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。（2）按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。（3）按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。数字通信解调设备的构成如图1.2所示，主要包括解调单元、信码再生单元和译码单元。其中，载波同步和定时同步是解调器的2个核心单元，它们直接决定着解调器的误码性能。 图1.2 数字通信解调系统框图在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是用模拟处理方法和器件实现的。其中，共同之处在于使用了模拟滤波器、鉴相器（乘法器）和压控振荡器(vco)。这种传统的模拟解调单元电路体积大、形式复杂；调试周期长而且受人为因素影响大；器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性差；因此，这种传统的接收机不能完全发挥数字通信的优势，不能实现数字信号处理的最佳接收。解调单元的载波同步和定时同步将完全在数字部分完成，而模数转换器的位置决定了接收机的数字化程度。在全数字解调中，几乎所有的模拟解调单元和件都可以对应地找到它的数字化形式，如数字滤波器（fir或iir）、全数字乘法器和数控振荡器9, 10（nco）等。但全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全部数字化，它具有以下的特点：1)电路结构简单，易于调试；2)可以使用复杂的算法，从而实现最佳的接收；3)便于计算机辅助设计，实现电子设计自动化（eda）；4)易于集成和大规模生产，价格低廉。qpsk是目前应用非常广泛的调制解调技术，目前qpsk调制的实现主要是利用数字电路和专用芯片来完成，通常利用可编程数字电路对基带信号进行码元变换，成形滤波等处理后得到同相分量和正交分量，然后将两路信号分量经过数模转换获得模拟信号送入一个正交相乘器与中频载波调制得到中频qpsk调制信号。该方法适合高码率数字信号的传输，但系统的开放性和灵活性较差。1.2.2 fpga的发展概况 fpga/cpld、dsp和cpu被称为未来数字电路系统的3块基石，也是目前硬件设计研究的热点11。过去的数字信号处理实现中，大多采用asic和dsp，但这类器件都有一定的缺陷。asic处理速度快，但开发成本高，而且内部功能不可改变，这样系统的可重构性差；dsp可以通过更改软件来改变其功能，其重构性好，但它的处理速度慢，逐渐跟不上越来越高的信号处理速度的要求。 20世纪90年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平达到深亚微米级，在一个芯片上可集成数百万乃至上千万只晶体管。这为制造出规模更大，速度更快和信息容量更大的芯片系统提供了条件，促进了电子设计自动化(eda)技术的发展。fpga的出现就是超大规模数字集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果7。与传统的设计方法相比，fpga具有功能强大，开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，保密性能好，开发工具智能化等特点，正好充分发挥了软件无线电可编程能力强，易于升级的特点，用fpga取代或部分取代专用asic芯片可提高灵活性。fpga允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。采用fpga器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，同时还可以很方便地对设计进行在线修改，它成为研制开发的理想器件之一。fpga可以看作是介于asic和dsp之间的一种实现手段，它既具有asic的高速处理能力，又拥有很好的可重构性能，而且开发成本低，开发周期短，优势十分明显12。虽然fpga的思路来源于门阵列，但它与门阵列pld不同，其内部由许多独立的可编程逻辑模块(clb)组成，逻辑块之间可以灵活地相互连接。fpga的结构一般分为三部分：可编程逻辑块、可编程i/o模块和可编程内部连线，现场可编程是指用户在自己的工作室内编程。世界上主要的fpga生产商是美国altera公司和xilinx公司，总共占据了全球市场份额的60%以上。当前，altera公司的主流产品为大规模的stratix系列和中规模、低成本、高性价比的cyclone系列，并分别推出了两者的下一代产品stratix和cyclone。 近年来，fpga工艺发展很快，fpga的工作时钟频率也不断增高，使芯片的处理能力增强。随着大规模可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统(sopc)”的新纪元，越来越多的新型fpga内嵌cpu或者dsp内核，支持软硬件协同设计；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其ip库，以优化的资源更好地满足用户的需求，扩大市场。基于这样的发展，fpga己经成为实现软件无线电数字信号处理的一种非常有效的选择。其内部结构可以实现高速的数据处理过程，而它灵活的可重构性能保证系统能够实现在线重构，使系统具有高度的灵活性，当设备需要增加新的无线接口时，不需要增加新的fpga芯片，而只需将现有fpga的内部逻辑重构就可以了，这样就降低了设备的成本，缩短了开发周期，正是因为它的这些优点，fpga在无线电技术的研究和设备开发中正在发挥越来越重要的作用。1. 3 课题研究的意义和主要工作数字字调制解调技术在数字通信中占有非常重要的地位，数字通信技术与fpga的结合是现代通信系统发展的一个必然趋势。在数宁信号的频带传输中，最重要的技术就是调制解调技术。数字调制是数字符号转换成与信道特性相匹配的波形的过程。数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似。它同样足用输入的数字信号控制(键控)载波的幅度、频率和相位，因而有三种基本调制技术：幅移键控ask(ampl itude-shift keying)、频移键控fsk(frequency-shift keying)、相移键控psk(phase-shift keying)。随着技术的发展又演变出多种多样的数字调制技术。相移键控是用数字基带信号控制载波的相位，使载波的相位发生跳变的一种调制方式。由于psk系统抗噪声性能优于ask和fsk，而且频带利用率高，所以，在中、高速数字通信中被广泛应用。文中介绍了通信系统的组成、qpsk调制解调原理，并基于fpga实现了qpsk调制电路。并给出了max+plusii环境下的仿真结果与systemview的仿真结果。仿真结果表明了该设计的正确性。本课题的主要研究工作包括以下四方面：（1）了解数字调制解调的基本原理（2）学习数字qpsk的特点、解调原理、数学模型；学习vhdl语言（3）了解数字qpsk的发展状况及现实中应用；了解fpga的内部硬件结构（4）用systemview对qpsk的调制解调进行仿真2 通信系统的组成2.1 通信系统的模型通信的目的是传输消息。消息具有不同的形式，例如：符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等等。因而，根据所传递消息的不同，目前通信业务可分为电报、电话、传真、数据传输即可视电话等。如果从广义的角度看，则广播、电视、雷达、导航、遥测、遥控等也可以列入通信范畴。当然，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的。因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息13。图2.1概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。根据研究的对象以及所关注的问题不同，图2.1模型中的各小方框的内容和作用将有所不同，因而相应有不同形式的更具体的通信模型。信息源发送设备噪声源信道接受设备受信者图2.1 通信系统的一般模型信息源（简称信源）的作用是把各种消息转换成原始电信号。根据消息的种类不同，心愿可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒、摄像机；数字信源则输出离散的数字信号，如电传机、计算机等各种数字终端。并且模拟信源送出的信号经数字化处理后也可送出数字信号。发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。因此，发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程。对于多路传输系统，发送设备还包括多路复用器。信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间：在有线信道中，可以是明线、电缆和光纤。有线信道和无线信道均有多种物理媒质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰和噪声直接关系到通信的质量。接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。受信者（简称信宿）是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的信息，如扬声器等。图2.1中，信源发出的消息虽然有多种形式，但可分为两大类：一类称为连续消息；另一类称为离散消息。连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号。凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图2.2(b)所示的抽样信号。凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、pcm信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散，如图2.3(b)所示的2psk信号。图2.2 模拟信号波形图 2.3 数字信号波形 连续信号； 抽样信号二进制波形； 2psk波形因此，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号， 可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。 我们知道，信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为300-3400hz， 图像信号为0-6mhz。由于这种信号具有频率很低的频谱分量， 一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特征：一是携带有信息，二是适合在信道中传输，三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。需要指出，消息从发送端到接收端的传递过程中，不仅仅只有连续消息与基带信号和基带信号与频带信号之间的两种变换，实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。模拟通信系统模型可由图2.1略加演变而成。2.2 数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统， 如图2.4所示。数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。作用之二是，当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。 在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ask、频移键控fsk、绝对相移键控psk、相对（差分）相移键控dpsk。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。需要说明的是，图2.4是数字通信系统的一般化模型， 实际的数字通信系统不一定包括图2.4中的所有环节。 图2.4 数字通信系统模型当然，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类14。2.3 数字通信的特点与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：（1）抗干扰能力强，且噪声不积累。数字通信系统中传输的是离散取值的数字波形，接收端的目标不是精确地还原被传输的波形，而是从受到噪声干扰的信号中判决出发送端所发送的是哪一个波形。以二进制为例，信号的取值只有两个，这时要求在接收端能正确判决发送的是两个状态中的哪一个即可。在远距离传输时，如微波中继通信，各中继站可利用数字通信特有的抽样判决再生的接受方式，使数字信号再发生且噪声不积累。而模拟通信系统中传输的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够高度保真地重现原信号波形，一旦信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。（2）传输差错可控。在数字通信系统中，可通过信道编码技术进行检错与纠错，降低误码率，提高传输质量。（3）便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储。这种数字处理的灵活性表现为可以将来自不同信源的信号综合到一起传输。（4）易于集成，使通信设备微型化，重量轻。（5）易于加密处理，且保密性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的传输带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂15。2.4 数字基带信号信源发出的没有经过调制的原始电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。现代通信借助于电和光来传输信息，数字终端产生的数字信息是以“1”和“0”两种代码（状态）位代表的随机序列，他可以用不同形式的电信号表示，从而构造不同形式的数字信号。在一般的数字通信系统中首先将消息变为数字基带信号，称为信源编码，经过调制后进行传输，在接收端先进行解调恢复为基带信号，再进行解码转换为消息。在实际的基带传输系统中，并不是所有电波均能在信道中传输，因此有基带信号的选择问题，因此对码型的设计和选择需要符合一定的原则。当数字信号进行长距离传输时，高频分量的衰减随距离的增大而增大，电缆中线对之间的电磁辐射也随着频率的增高而加剧，从而限制信号的传输距离和传输质量，同时信道中往往还存在隔直流电容和耦合变压器，他们不能传输直流分量及对低频分量有较大的衰减，因此对于一般信道高频和低频部分均是受限的。对于这样的信道，应使线路传输码型的频谱不含直流分量，并且只有很少的低频分量和高频分量。其次，传输码型中应含有定时时钟信息，以利于收端定时时钟的提取，在基带传输系统中，定时信息是在接收端再生原始信息所必需的。一般传输系统中，为了节省频带是不传输定时信息的，必须在接受端从相应的基带信号中加以提取。再次，实际传输系统常希望在不中断通信的前提下，能监视误码，如果传输码型有一定的规律性，那么就可以根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测，因此，传输码型应具有一定的误码检测能力。当然，对传输码型的选择还需要编码和解码设备尽量简单等要求，但以上的几点是最主要的考虑因素。在基带传输系统中,一系列的基带信号波形被变换成相应的发送基带波形后，就被送入信道。信号通过信道传输，一方面受到信道特性的影响，使信号产生畸变；令一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随机畸变。因此，到达接收端的基带脉冲信号发生了畸变。为此，在接收端首先安排一个接收滤波器，使噪声尽量得到抑制，而使信号顺利通过。然而，在接收滤波器的输出信号里，总还是存在畸变信号和混有噪声的。因此，为提高接收系统的可靠性，通常在接收滤波器的输出端安排一个识别电路，通常的识别电路是抽样判别器，它是在每一接收基带波形的中心附近，对信号进行抽样，然后将抽样值与判决门限进行比较。若抽样值大于门限，则判为“高”电平。这样就获得一系列新的基带波形再生的基带信号。 所谓数字基带信号，就是消息代码的电脉冲表示电波形。在实际基带传输系统中，并非所有的原始数字基带信号都能在信道中传输，例如，含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变；再如，一般基带传输系统都是从接收到的基带信号中提取位同步信号，而位同步信号却又依赖于代码的码型，如果代码出现长时间的连 “0” 符号，则基带信号可能会长时间出现 0 电位，从而使位同步恢复系统难以保证位同步信号的准确性。实际的基带传输系统还可能提出其它要求，从而导致对基带信号也存在各种可能的要求。归纳起来，对传输用的基带信号的要求主要有两点：(1)对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；(2)对所选的码型的电波形的要求，期望电波形适宜于在信道中传输。前一问题称为传输码型的选择，后一问题称为基带脉冲的选择。这是两个既彼此独立又相互联系的问题，也是基带传输原理中十分重要的两个问题。传输码（常称为线路码）的结构将取决于实际信道的特性和系统工作的条件。概括起来，在设计数字基带信号码型时应考虑以下原则：(1)码型中应不含直流分量，低频分量尽量少。(2)码型中高频分量尽量少。这样既可以节省传输频带，提高信道的频带利用率，还可以减少串扰。串扰是指同一电缆内不同线对之间的相互干扰，基带信号的高频分量越大，则对邻近线对产生的干扰就越严重。(3)码型中应包含定时信息。(4)码型具有一定检错能力。若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测。(5)编码方案对发送消息类型不应有任何限制，即能适用于信源变化。这种与信源的统计特性无关的性质称为对信源具有透明性。(6)低误码增殖。对于某些基带传输码型，信道中产生的单个误码会扰乱一段译码过程，从而导致译码输出信息中出现多个错误，这种现象称为误码增殖。(7)高的编码效率。(8)编译码设备应尽量简单。上述各项原则并不是任何基带传输码型均能完全满足，往往是依照实际要求满足其中若干项16。3 qpsk调制解调的原理3.1 相移键控系统概述相移键控是目前扩频系统中大量使用的调制方式，也是和扩频技术结合最成熟的调制技术，原则上看是一种线性调制。从基带变换到中频以及射频，中间的频谱搬移和信号放大需要一个要求较高的线性信道，因而，设计要求较高。相移键控系统中，有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化，从而形成振幅与频率不变，而相位取离散值变化的已调波。3.1.1 二进制相移键控对于二进制相移键控bpsk（binary phase shift keying）来说，就是二进制的数字信号0和1分别用载波的0和来表示。其表达式由公式(2.1)给出: (2.1)式中，an为二进制数字， (2.2)3.1.2 四相相移键控四相相移键控qpsk是mpsk17的一种特殊情况。它是利用载波四个不同的相位来表征数字信息的调制方式。因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组；然后用4种不同的载波相位去表征它们。例如，若输入二进制数字信息序列为lo1loloo，则可将它们分成10，1l，01，00，然后用4种不同的相位来分别表示它们。由于每一种载波相位代表2个比特信息。故每个四进制码元又被称为双比特码元。由于四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成，故qpsk信号的产生方法采用相位选择法，如图3.1所示18。输入 输出 0 90 180 270 带通滤波器 逻辑选相电路串/并转换 四相载波发生器 图3.1 相位选择法的组成方框图由图3.1可知，四相载波发生器分别送出调相所需的4种不同相位的载波，即数字载波信号。按照串并变换器输出双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。双比特码元ab为00时，输出相位为0的载波；ab为01时，输出相位为90的载波；ab为10时，输出相位为180的载波；ab为11时，输出相位为270的载波。根据mpsk调制原理，设计模型如图3.2所示19。电路主要由分频器和四选-开关等组成，分频器对外部时钟信号进行分频和计数，并输出4路频率相同而相位不同的相干数字载波信号；四选一开关是在基带信号的控制下，对4路载波信号进行选通，输出数字qpsk信号。但这还不是真正的qpsk信号，需要在fpga器件外部加一个da变换器，将输出转换为模拟信号。clk start 基带信号 分 频090180270串/并转换四选一开关调制信号 图3.2 mpsk调制方框图 如图3.2所示，输入时钟信号clk及使能信号start，当start为高电平时才进行qpsk调制，输入基带信号x为0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0进行串并变换。基带信号x由一路信号变为两路并行信号，变换后分别为a信号和b信号，则ab信号构成两位并行信号yy，变换后的yy值如表1.1所示。 表1.1 串并变换 信号 码元 a 1 1 0 0 1 1 1 0 0 b 0 1 0 1 0 1 0 0 0 ab=yy 10 11 00 01 10 11 10 00 00时钟信号进入八分频计数器q进行分频得到4种不同相位的载波。载波相位为0、90、180、270的4种载波，载波波形如表1.2所示。 表1.2 调制信号说明 信号yy 载波相位 载波波形 载波符号 00 0 f3 01 90 f2 10 180 f1 11 270 f0四选一开关根据信号yy值，选择载波对应相位进行输出，可得到已调信号y。如表3-2所示，当yy值为“0”，选择输出对应的载波f3；当yy值为“1”，选择输出对应的载波f2；当yy值为“2”，选择输出3对应的载波fl；当yy值为“3”，选择输出对应的载波f0，即最终选择输出的载波波形就构成r调制信号y。当start为高电平时，进行调制，仿真结果如图3所示，选择相位分别为0，180，180，270,0，90。 qpsk信号可以表示为 (2.3)式中，是载波的角频率，是第k个码元的载波相位取值，ts是一个发送码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一，g(t)是发送码元的波形函数。是可以取区间（0，2）任何离散值的随机变量，可取的个数由调制方式的进制来决定。在qpsk调制系统中，发送端可取的相位值为四个。 将上式展开，得到： （2.4） 令，则两者的取值为随机的离散值，和选定的相位有关，在星座图的映射中对应同相和正交分量，反映其在映射图中的矢量位置。 对于四种相位的选择，存在/2体系和/4体系。/2体系对应n=0，/2，3/2四个离散值。/4体系对应n=/4，3/4，5/4，7/4四个离散值。 从式(2.4)可以看出，四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二进制幅度调制的信号之和。从xn和yn的取值，容易发现两者具有一定的矢量约束关系，保证两者合成的矢量点在落在同一圆周上。这个关系意味着，系统的非线形失真对qpsk系统的可靠性影响很小。3.2 qpsk调制原理 qpsk信号有00、01、10、11四种状态。所以对输人的二进制序列，首先必须分组，每两位码元一组。然后根据组合情况，用载波的四种相位表征它们。qpsk信号实际上是两路正交双边带信号，可由图3.1所示方法产生。qpsk调制器可以看成由两个bpsk调制器构成。输入的串行二进制序列经过串并转换后，分成两路速率减半的序列，然后经过极性转换后变成两路双极性二电平信号i (t)和q (t)，然后跟cos2f t和sin 2f t相乘进行调制，相加后即得到qpsk信号。如图3.1所示: 图3.3 qpsk调制过程由图3.1,可以看出，qpsk是由两路bpsk信一号构成，且两路信号相互正交的，即相位差相差90，两路bpsk信号相加，即得到qpsk信号。图3.3是比较常用的qpsk调制方式。 3.3 qpsk解调原理在qpsk解调中，常采用相干解调18 12 21 22，其原理框图见下图所示： 图3.4 qpsk解调过程相干解调中，正交路和同相路分别设置两个相关器(或匹配滤波器)，得到i(t)和q(t)，经电平判决和并一串变换后即可恢复原始信息。当然，如果调制端是差分编码的，那么解调中并串变换后还需一个差分解码。假如已调信号为，、分别为同相路和正交路，为载波频率。那么相干解调后，同相路相乘可得： = = （2.5）正交路为： = = （2.6）经过低通滤波后，可得： （2.7）经过判决电路后，由上式，可得到如下表1.3所示结果（同相路和正交路是经过极性转换的，1对应于二进制数据1，-1对应于二进制数据0） 表1.3 i、q路的判决i(t)输入q(t)输入同相路滤波后ii(t)同相路滤波后qq(t)判决后i(t)判决后q(t)-1-1-1/2-1/20o-11-1/21/2011-11/2-1/210111/21/211解调过程中涉及到信号的采样、数字下变频、载波同步、位同步等关键技术。信号的采样是模拟信号与数字信号之间的一个通道，是数字化解调过程中一个及其关键的步骤。数字下变频ddc(digital down converter)是随着数字信号处理技术的发展而出现的，目前大量使用在数字中频技术中，它的根本任务就是实现数字中频到基带信号的变换。数字下变频的组成与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡器（nco）和低通滤波器（lpf）三部分组成。影响数字下变频器性能的主要因素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差；二是数字本振相位分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。也就是说，数字混频器和数字本振的数据位数不够宽，存在尾数截断的情况；数字本振相位的样本值存在近似的情况。它主要涉及数控振荡器nco，抽取滤波器（即积分-清洗滤波器）等技术。 在数字通信系统中，解调器的任务是恢复出传输来的原始数据系列。解调器的构成方案通常可以分为两类：同步解调和异步解调。两者的区别在于，同步解调需要一个相干同步的本地载波。一般地说，同步解调性能较为优良。但是，对于抑制载波分量的调制信号来说，要从接收的信号中恢复出参考载波，必须进行相应的处理。 在数字通信中，除了载波同步外，还需要位同步。因为消息是一串连续的码元系列，解调时必须知道码元的起止时刻，即码同步。位同步可分为自同步和外同步两种。自同步是直接从接收的信号中提取位同步信息，而外同步是在发射端专门发射导频信号。例如，在基带信号频谱的零点，插入所需的导频信号，在接收端，利用窄带滤波器，就可以从解调后的基带信号中提取所需的同步信息。插入导频也可以使数字信号的包络，随同步信号的某种波形而变化。在相移或频移键控时，在接收端只要进行包络检波就可得到同步信号。3.4 qpsk的星座图 qpsk信号常常可以用星座图来表示，或者也可称之为矢量图。它表明了各符号用双比特表示，即11，00，01，10)间的幅度和相位关系，四个双比特符分别表示qpsk信号的四个相位，相邻两个相位之间是相互正交的，对于的情况，星座图如图3.5(a)所示：0111001045参考相位00101101参考相位 (a) (b) 图3.5 qpsk星座映射图 上图星座图中，11，01，00，10分别对应于己调信号相位初始载波相位通常设为0。在它们的相位偏移关系中，我们称，01对11，00对01等，相位偏移90度；或者00对11偏180度事实上，在很多有关qpsk芯片对相位偏移的陈述中，都是以符号00作为基准相位来加以描述的，如表1.4所示： 表1.4 00作为基准的相位偏移 input bits phase change 00 0度 01 -90度 10 90度 11 180度 上面的相位偏移，实际上都是对符号00而言的。而且我们可以看出，这样的相位偏移，其实就是图3.5(a)所介绍的星座图。相位偏移关系非常的重要，这对于我们实现自己的qpsk关系非常大，否则往往可能结果相反。比如前面那个例子，假如01对00偏90,10对00偏-90,那么它们所对应的星座图，将会变成图3.5(b)的样子。3.5 其它qpsk简介 上面说的qpsk调制方式，当基带信号经过脉冲成形时(如升余弦滚降信号)，qpsk信号将失去恒包络的性质，当发生幅度为的相移时每个符号间的两位都改变)，将会导致信号包络瞬间过零点。任何一种在过零点的硬限幅或非线性放大，都将由于信号在低电压时的失真而在传输过程中带来已被滤除的旁瓣，这显然是并不希望的。为了防止旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放大qpsk信号。因而，产生了一种改进型的qpsk信号，oqpsk，即交错或参差qpsk。它的原理是让两路信号工i (t)和q (t)错开，让在任意时刻只有两个比特中的一个改变它的值，这样符号间的相移都只限制在90，消除了180相位跳变带来的负面影响。因为180相位跳变消除了，所以oqpsk信号的带限不会导致信号包络经过零点。带限处理会造成一定程度的isi22 23，特别是在90相位点。但是，包络的变化小多了，因此对oqpsk的硬限幅或非线性放大不会再生出像在qpsk中那么多的高频旁瓣。 还有一种qpsk调制方式，被称作/4qpsk，它是oqpsk和qpsk的折衷，它的符号间的最大相位跳变是135，因此，/4qpsk比qpsk有更好的恒包络性质，但是对包络的变化比oqpsk更敏感。但是，/4qpsk的最吸引人的地方是它能够非相干解调，可使接收端设计简化。4 基于fpga的qpsk调制解调电路设计与实现4.1 基于fpga的qpsk调制电路方框图基带信号通过串并转换器得到2位并行信号，四选一开关根据该数据，选择载波对应的相位进行输出，即得到调制信号，调制框图如图4.1所示。26 27clock start 基带信号 分 频090180270串/并转换四选一开关调制信号 图4.1 qpsk的调制电路方框图4.2 调制电路vhdl程序 library ieee; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity modulation is port(clk :in std_logic; -系统时钟 start :in std_logic; -开始调制信号 x :in std_logic; -基带信号 y :out std_logic); -调制信号 end modulation; architecture behav of modulation is signal q:integer range 0 to 7;-计数器 signal xx:std_logic_vector(1 downto 0);-中间寄存器 signal yy:std_logic_vector(1 downto 0);-2位并行码寄存器 signal f:std_logic_vector(3 downto 0); -载波f begin process(clk) -通过对clk分频，得到4种相位；并完成基带信号的串并转换 begin if (clkevent and clk=1) then if start=0 then q=0; elsif q=0 then q=1;f(3)=1;f(1)=0;xx(1)=x;yy=xx; elsif q=2 then q=3;f(2)=0;f(0