四相移相键控调制解调

太原理工大学现代科技学院实验报告一、实验目的1、了解QPSK 调制解调原理及特性。

2、了解载波在QPSK 相干及非相干时的解调特性。

二、实验内容1、观察I 、Q 两路基带信号的特征及与输入NRZ 码的关系。

2、观察IQ 调制解调过程中各信号变化。

3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。

三、基本原理1、QPSK 调制原理 QPSK 又叫四相绝对相移调制，它是一种正交相移键控。

QPSK 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，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，然后用四种不同的载波相位来表征。

我们把组成双比特码元的前一信息比特用a 代表，后一信息比特用b 代表。

双比特码元中两个信息比特ab 通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表1-1所示，矢量关系如图1-1所示。

图1-1（a ）表示A 方式时QPSK 信号矢量图，图1-1（b ）表示B 方式时QPSK 信号的矢量图。

由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A 方式中：45°、135°、225°、315°，则数据k I 、k Q 通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值±1、0。

表1-1 双比特码元与载波相位关系太原理工大学现代科技学院实验报告(0,1)(1,1)(0,0)参考相位参考相位(a)(b)图1-1 QPSK 信号的矢量图下面以A 方式的QPSK 为例说明QPSK 信号相位的合成方法。

串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行序列，然后通过基带成形得到的双极性序列（从D/A 转码元。

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，得到图1-2中虚线矢量，将两路输出叠加，即得到QPSK 调制信号，其相位编码关系如表1-2所示。

a(1)b(1)b(0)a(0)图1-2 矢量图表1-2 QPSK 信号相位编码逻辑关系用调相法产生QPSK 调制器框图如图1-3所示。

四相移相键控(QPSK)调制及解调实验

实验二四相移相键控（QPSK ）调制及解调实验一、实验目的1、了解QPSK 调制解调原理及特性。

2、了解载波在QPSK 相干及非相干时的解调特性。

二、实验内容1、观察I 、Q 两路基带信号的特征及与输入NRZ 码的关系。

2、观察IQ 调制解调过程中各信号变化。

3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。

三、基本原理（说明：原理部分需简要介绍）1、QPSK 调制原理QPSK 的调制有两种产生方法相乘电路法和选择法。

相乘法：输入信号是二进制不归零的双极性码元，它通过“串并变换”电路变成了两路码元。

变成并行码元后，每个码元的持续时间是输入码元的两倍。

用两路正交载波去调制并行码元。

发射信号定义为：⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-+=其他,00],4)12(2cos[/2)(b t T t i ft t E t S ππ其中，i ＝1，2，3，4；E 是发射信号的每个符号的能量，T 为符号的持续时间，载波频率f 等于nc/T ，nc 为固定整数选择法输入基带信号经过串并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ab ，决定选择哪个相位的载波输出2、QPSK 解调原理QPSK 接收机由一对共输入地相关器组成。

这两个相关器分别提供本地产生地相干参考信号()t 1φ和()t 2φ。

四、实验步骤（说明：要详细）（1）QPSK 调制程序close all% x1是类似[1 1 -1 -1 -1 -1 1 1]的分布,作用是控制相位的180°反转。

%由于仿真中载波的频率是f=1Hz，所以1s的间隔内有一个完整周期的正弦波。

t=[-1:0.01:7-0.01]; % t共800个数据，-1~7st1=[0:0.01:8-0.01]; %t1也是800个数据点，0 ~8stt=length(t); % tt=800x1=ones(1,800);for i=1:ttif (t(i)>=-1 & t(i)<=1) | (t(i)>=5& t(i)<=7);x1(i)=1;else x1(i)=-1;endendt2 = 0:0.01:7-0.01; %t2是700个数据点，是QPSK_rc绘图的下标t3 = -1:0.01:7.1-0.01; %t3有810个数据点，是i_rc的时间变量t4 = 0:0.01:8.1-0.01; %t4有810个数据点，是q_rc的时间变量tt1=length(t1);x2=ones(1,800); %x2是类似于[1 1 -1 -1 1 1 1 1]的分布,作用是控制相位的180°反转for i=1:tt1if (t1(i)>=0 & t1(i)<=2) | (t1(i)>=4& t1(i)<=8);x2(i)=1;else x2(i)=-1;endendf=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f); %xrc是一个低通特性的传输函数y1=conv(x1,xrc)/5.5; %y1和x1 实际上没什么区别，仅仅是上升沿、下降沿有点过渡带y2=conv(x2,xrc)/5.5; % y2和x2 实际上没什么区别，仅仅是上升沿、下降沿有点过渡带n0=randn(size(t2));f1=1;i=x1.*cos(2*pi*f1*t); % x1就是I dataq=x2.*sin(2*pi*f1*t1); %x2就是Q dataI=i(101:800);Q=q(1:700);QPSK=sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q;QPSK_n=(sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q)+n0;n1=randn(size(t2));i_rc=y1.*cos(2*pi*f1*t3); % y1就是I data，i_rc可能是贴近实际的波形,i则是理想波形q_rc=y2.*sin(2*pi*f1*t4); %y2就是Q data，q_rc可能是贴近实际的波形,q则是理想波形I_rc=i_rc(101:800);Q_rc=q_rc(1:700);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n1=QPSK_rc+n1;subplot(3,1,1);plot(t3,i_rc);axis([-1 8 -1 1]);ylabel('a序列');subplot(3,1,2);plot(t4,q_rc);axis([-1 8 -1 1]);ylabel('b序列');subplot(3,1,3);plot(t2,QPSK_rc);axis([-1 8 -1 1]);ylabel('合成序列');（2）QPSK解调程序clear allclose allbit_in = randint(1e3, 1, [0 1]);bit_I = bit_in(1:2:1e3); %bit_I为”奇数序列”，奇数序列是同相分量，以cos为载波bit_Q = bit_in(2:2:1e3); %bit_Q是bit_in的所有偶数下标组成的”偶数序列”，以sin为载波data_I = -2*bit_I+1; % 将bit_I中的1变成-1，0变成1; 注意data_I是500点data_Q = -2*bit_Q+1; %将bit_Q中的1变成-1，0变成1data_I1=repmat(data_I',20,1); %将500行的列向量data_I的共轭转置data_I’复制为20*500的矩阵，20行数据是相同的。

无线通信系统中的调制解调基础(二)：相位调制

无线通信系统中的调制解调基础（二）：相位调制作者：Ian PooleAdrio Communications Ltd第二部分解释了相移键控（PSK）的多种形式，包括双相相移键控（BPSK），四相相移键控（QPSK），高斯滤波最小相移键控（GMSK），和目前流行的正交幅度调制（QAM）。

第一部分解释了调幅（AM）和调频（FM）技术，并介绍了其优点和缺点。

第三部分将会介绍直接序列扩频（DSSS）技术和正交频分复用（OFDM）调制技术。

调相相位调制是另一种广泛采用的调制技术，特别是在数据传输的应用中。

因为相位和频率是相辅相成的（频变是相变的一种形式），两种调制方法可以用角度调制（angle modulation）来概括。

为了解释调相如何工作，我们首先要对相位做出解释。

一个无线信号包涵了一个正弦信号的载波，幅度从正到负程波浪形变化，一个周期后回到零点，这个同样可以由一个围绕一个零点旋转的一个点来表示，如图3-13所示，相位就是终点到起点的角度。

调相改变了信号的相位，换句话来说，图中绕着原点旋转的点的位置会改变，要实现这个效果既是要在短时间内改变信号的频率。

所以，当进行相位调制的时候会产生频率的改变，反之亦然。

相位和频率是密不可分的，因为相位就是频率的积分，频率调制可以通过简单的CR网络转变成相位调制。

因此，相位调制与频率调制信号的边带、带宽具有异曲同工的效果，我们必须留意这个关系。

相移键控相位调制可以用来传输数据，而相移键控是很常用的。

PSK在带宽利用率上有很多优势，在许多移动电话无线通信的应用中广为采用。

最基本的PSK方法被称作双相相移键控（BPSK），有时也称作反向相位键控(PRK)。

一个数字信号在1和0之间改变（或表述为1和-1），这样形成了相位反转，就是180°的相移，如图3-14。

双相相移键控（BPSK）PSK的一个问题是接收机不能精确的识别传输的信号，来判定是mark（1）还是space （0），即使发射机和接收机的时钟同步也很难实现，因为传输路径会决定接受信号的精确相位。

PI-4_DQPSK调制解调硬件实现中的误码率分析

4 结束语
1 bit 解调算法应用于全数字 P/ 4- DQPSK 调制解调, 大大简化了解调部分的数据处理, 但是牺牲了误码率, 其误码率比传统的 8 bit 的 P/ 4-DQP SK 差 1. 5 dB。 F PGA 硬件实现过程中, 对 1 kHz 时钟用做 210 进行分频引起的频偏误差给出了误码率仿真分析, 并提出了改善的方法信噪比不低于 15 dB 时, 误码率可达 10- 7, 不失为一种有效方法。
图 2 x 和 cos $ U 的判决空间
2 1 bit 算法的误码率分析[ 2]
在调制解调过程中不可避免会混入噪声, 其中主
要是高斯白噪声, 信道带宽有限、高斯白噪声通过窄带系统时, 就形成窄带高斯噪声。可表示如下:
Jiang Na, Zhong Hongsheng ( Universit y of Elect ronic Science & T echnology of China, Chengdu 610054, China)
从图 5 可以看出, 在信噪比 E b/ N 0= 14. 2 dB 时, 1 bit 算法理论上的误码率可达 10- 6; 由于频率偏差的存在, 实际误码率为 10- 4。硬件实现中用 8 位计数器实现 0~ 255 循环计数来进行 256 分频, 为了让分频引起的误码率在容忍的范围内, 即 E b/ N 0= 14. 2 dB 时, P e= 10- 6; 不断调整频率偏差, f clkpn- f clkd= 8. 0 kH z
图 1 全数字 P/ 4- DQPSK 调制解调实现框图
进行 P/ 4- DQ PSK 解调时采用 1 bit 算法[ 1] 。该算
法可以不需要与调制时的 8 bit D / A 转换器相应的

QPSK、DQPSK系统调制与解调

实验四QPSK与DQPSK调制实验一、实验目的在2PSK, 2DPSK的学习基础上，掌握QPSK，以及以其为基础的DQPSK, OQPSK, /4 —DQPSK等若干种相关的重要调制方式的原理，从而对多进制调相有一定了解。

1、移动通信技术应用综合实训系统”实验仪一台2、50MHz示波器一台。

3、实验模块：信源模块，QPSK-调制模块。

三、实验原理一）基本理论（A）四相绝对移相键控（QPSK）的调制四相绝对移相键控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代表，后一信息比特用b代表。

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，它与载波相位的关系如表所列。

双比特码元载波相位©a b A方式B方式000°45°0190°135°实验设备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，故两者的功率谱密度分布规律相同。

下面我们来讨论QPSK信号的产生与解调。

QPSK信号的产生方法与2PSK 信号一样，也可以分为调相法和相位选择法。

(1) 调相法用调相法产生QPSK信号的组成方框图如下所示图4-1 QPSK信号的组成方框图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。

并设经过串并变换后上支路为a,下支路为b。

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。

表4-2 QPSK信号相位编码逻辑关系(2) 相位选择法用相位选择法产生QPSK信号的组成方框图如下所示图4-2相位选择法产生QPSK信号方框图(B)四相相对移相键控(DQPSK)的调制所谓四相相对移相键控也是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。

若以前一码元相位作为参考，并令△©为本码元与前一码元的初相差。

DQPSK调制解调的研究与实现

题目：DQPSK调制解调技术的研究与实现学生姓名：学号：专业班级：指导教师：完成时间：目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 DQPSK调制技术与数字通信 (2)第二章DQPSK调制与解调原理分析 (5)2.1 DQPSK信号特点 (5)2.2 差分编码与解码原理 (10)2.3 FPGA实现方案 (12)第三章DQPSK信号调制 (14)3.1 调制器总体设计方案 (14)3.2 串并转换 (14)3.3 差分编码 (15)3.4 FIR滤波器设计 (17)3.5 数字载波 (18)第四章DQPSK信号解调 (20)4.1 解调器总体方案 (20)4.2 AD采样 (20)4.3 同步设计 (22)4.3.1 COSTAS载波跟踪环 (22)4.3.2 位定时同步 (26)4.4 差分解码 (26)4.5 并串转换 (29)总结 (30)参考文献 (31)致谢 (32)摘要QPSK（quadrature phase shift keying）是四相移键控的简称，它兼有两方面的特性；从一方面看，它采用了4种相位；从另一方面看，它采用了正交的载波。

DQPSK是差分四相移键控（differential QPSK）的简称，是结合差分编码的QPSK。

DQPSK调制解调方式以其抗干扰能力强、频带利用率高等优点，在现代数字通信系统如数字微波通信、等宽带无线通信等中得到广泛的应用。

DQPSK是在QPSK(四相正交绝对调相)的基础上作的改进，它克服了QPSK信号载波的相位模糊问题，用相邻码元之间载波相位的相对变化来表示2位二进制数字信息。

由于DQPSK 传输信息的特有方式，使得解调时不存在相位模糊问题，这是因为不论提取的载波取什么起始相位，对相邻两个四进制码元来说都是相等的，那么相邻两个四进制码元的相位差肯定与起始相位无关，也就不存在由于相干解调载波起始相位不同而引起的相位模糊问题，所以，在使用中都采用相对的四相调制。

qpsk-简介

qpsk-简介偏移四相相移键控信号简称“O-QPSK”。

全称为offset QPSK，也就是相对移相方式OQPSK。

它具有一系列独特的优点，已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。

在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。

qpsk-原理换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。

在实际的调谐解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟工、Q基带信号是带有载波误差的信号。

这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。

此外，ADC的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。

校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法(DA)载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。

四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。

QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45°，135°，225°，275°，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。

qpsk原理

QPSK的基本原理四相相移键控信号简称“QPSK”。

它分为绝对相移和相对相移两种。

由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。

它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。

QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。

在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。

其星座图如下所示(采用格雷码编码)。

QPSK数字解调QPSK数字解调包括：模数转换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。

在实际的调谐解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟I、Q基带信号是带有载波误差的信号。

这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。

此外，ADC的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。

校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法(DA)载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。

特性分析四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。

实验四移相键控(PSK)实验-PPT精品文档

（六）、同步带和捕捉带同步带和捕捉带是锁相环性能优劣的标志。我们可用发信码与收信码的比较来判断锁相环是否锁定。用双踪同步示波器同时观察收信码（13）、发信码（2），并以发信码作同步。用高频信号发生器从电缆插座“EXT-IN”输入外载波，频率为10MHz，幅度2V（峰峰值）。将K1插至“异步” （即插在1-2）K2插至“外载波”（即插在2-3）数字频率计接在（4），高频信号发生器的输出幅度保持在1.5VP-P, 由低往高缓缓调节频率。当双踪同步示波器上出现收信码与发信码同步，并且波形一致时，这时就是无误码情况，锁相环捕捉到外载波并锁定，此点频率记作f2。继续向高调节频率，直到双踪同步示波器上的收信码与发信码不同步时，此时锁相环已不能同步跟踪外载波而失锁，该点频率记作f4。将外载波频率由此点往低调节，调到再次捕捉到收信码与发信码同步一致时，锁相环再次捕捉到外载波并锁定，此点频率记作f3。继续向低调节频率直到收信码与发信码再次失步，此点频率记作f1。为提高测量精度，上述过程可反复进行几次。
基带信号
Uc(t)
t
码元
1 0 1 10 0
未调载波
S(t)
t
绝对调相
t
图4-3绝对移相的波形示意图
在同步解调的PSK系统中，由于收端载波恢复存在相位含糊的问题，即恢复的载波可能与未调载波同相，也可能反相，以至使解调后的信码出现 “0”、“1”倒置，发送为“1”码，解调后得到“0” 码；发送为“0”码，解调后得到“1”码。这是我们所不希望的，为了克服这种现象，人们提出了相对移相方式。相对移相的调制规律是：每一个码元的载波相位不是以固定的未调载波相位作基准的，而是以相邻的前一个码元的载波相位来确定其相位的取值。例如，当某一码元取“1”时，它的载波相位与前一码元的载波同相；码元取“0”时，它的载波相位与前一码元的载波反相。相对移相的波形如下图所示。

交错四相移相键控调制解调实验结果分析

交错四相移相键控调制解调实验结果分析
交错四相移相键控调制（QPSK）是数字调制技术中的一种常见形式，它可以在同样的带宽和信噪比条件下传输比二进制相移键控调制（BPSK）更多的信息。

QPSK调制器将两个BPSK 调制器的输出信号进行交错，并通过四相移相器将I、Q分量同时进行相移，从而生成QPSK 信号。

QPSK解调器则是将接收到的QPSK信号分别进行相移，从而分离出两个BPSK信号，再进行解调。

在实验室中，可以通过对QPSK信号进行采样和解调来验证QPSK调制器和解调器的性能。

实验需要使用信号发生器来生成QPSK信号，并通过传输信道将其发送到接收端。

接收端需要使用混频器将接收到的信号与本地载波进行混频，再进行低通滤波和采样，最后通过解调器进行解调。

实验结果的分析可以从以下几个方面入手：
1. BER性能：通过不同信噪比下的误码率测试，可以分析QPSK调制器和解调器的BER性能，了解其在不同信噪比下的性能表现。

2. 符号误差率：通过对采样点进行比较，可以分析符号误差率，了解QPSK调制器和解调器在发送和接收过程中可能存在的误差。

3. 误码分析：通过对接收到的信号进行解调和解码，可以分析误码率及误码类型，了解误码率高发生错误的原因，有利于调整技术参数。

4. 相位误差分析：通过比较接收信号的相位与本地载波的相位，可以分析QPSK调制器和解调器的相位误差，从而确定误差源并加以改进。

5. 传输速率：通过计算QPSK信号的传输速率，了解该技术对传输速率的影响和局限。

QPSK 调制解调

四相绝对相移键控 QPSK是属于多进制数字相位调制，它是利用载波的四种不同相位来表征输入的数字信息。目前广泛应用于数字微波通信系统，数字卫星通信系统，宽带接入与移动通信，以及有线电视的上行传输。但四相相移键控信号，在码元交替处的载波相位往往是突变的，当相邻的两个码元同时转换时，会出现±π的相位跳变，这会使调相波的包络上出现零（交）点，其信号功率谱上将产生很强的旁瓣分量。因此从 QPSK方式派生出一种新的相位调制方式，交错四相相移键控（OQPSK）。即在 QPSK调制的正交支路上引入一个比特（半个码元）的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，从而不可能产生±π的相位跳变，仅产±π/2的相位跳变。
关键词: 相移键控四相移键控 QPSK调制相干解调
I
×××大学本科毕业设计
QPSK Demodulation Experimental Design
Abstract：Indigitalcommunication，weoftenmodulatanddemodulat digital
signalbyFSKandPSKtotransmitdigitalinformation。 Nowadays，PSKoftenuse QPSK and NPSK. Any digital modulation scheme uses a finite number of distinct signals to represent digital data. PSK uses a finite number of phases, each assigned a unique pattern of binary digits. Usually, each phase encodes an equal number of bits. Each pattern of bits forms the symbol that is represented by the particular phase. The demodulator, which is designed specifically for the symbol-set used by the modulator, determines the phase of the received signal and maps it back to the symbol it represents, thus recovering the original data. This requires the receiver to be able to compare the phase of the received signal toareferencesignal— suchasystemistermedcoherent(andreferredtoas CPSK). This text is detailed on the concept,implement and principle of QPSK. It also detailed introduces the designedand realize of QPSK.

基于现场可编程门阵列的差分四相相移键控调制解调算法设计

基于现场可编程门阵列的差分四相相移键控调制解调算法设计王晨;潘建国;郑振东;王芳【摘要】以软件无线电技术为基础,针对差分四相相移键控(DQPSK)调制解调系统设计了全新的算法,实现了现场可编程门阵列(FPGA)平台下的DQPSK全数字调制解调,并可通过软件编程进行电路升级.与传统DQPSK调制解调电路相比,不但缩减了印制电路板(PCB)的尺寸,而且可以在不改变电路的情况下升级调制解调算法,从而降低了硬件升级、算法调整的成本.以Intel的Quartus Ⅱ软件作为验证平台,用Verilog HDL语言实现了各个模块功能的设计,采用ModelSim软件进行功能仿真,验证算法的正确性.系统运行频率达到132 MHz,达到了预期要求.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(048)004【总页数】5页(P362-366)【关键词】差分四相相移键控(DQPSK);调制解调;现场可编程门阵列(FPGA)【作者】王晨;潘建国;郑振东;王芳【作者单位】上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234【正文语种】中文【中图分类】TP332.10 引言数字调制解调技术在高速数据通信中起着至关重要的作用,而差分四相相移键控(DQPSK)调制解调系统因其频带利用率高和抗干扰能力强的特点,被广泛应用于现代通信系统中.国内外学者都在深入研究全数字DQPSK调制解调系统,不断地研发出新的专用芯片[1].可是,专用芯片的设计目的基本都是针对某一特殊应用场景实现某一特定用途的,推广应用范围有限.现场可编程门阵列(FPGA)作为一种半定制电路,克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,弥补了定制电路的不足.随着集成电路密度的不断提高,FPGA可以胜任几乎所有数字器件的功能设计.通过软件仿真,可以在制板之前就先验证设计的正确性.而在完成印制电路板(PCB)的设计之后,依然可以对系统进行在线修改,不必改动硬件电路.FPGA较传统电路优势明显,其现场编程能力可以用来对系统进行升级、除错,并延长产品寿命.因此,在现代通信技术中得到快速发展,并在数字通信领域得到广泛应用[2].本文作者采用FPGA平台设计了一个DQPSK调制解调系统,利用FPGA的在线编程和动态可重构性,根据自身需求和应用场景的要求来设置硬件参数,从而使整个通信系统都具有可定制性,在设计完成后,依然能够对所有参数按需求进行在线动态修改.1 DQPSK调制解调1.1 DQPSK调制原理四相移相键控(QPSK)的原理是利用4种不同的载波相位来表征4种数字信息[3-4].为了消除接收机对信号进行相干解调时产生的相位模糊[5-6],需要对四进制数据进行差分编码,构成DQPSK[7].DQPSK调制技术利用前后码元的相对相位变化关系来表示信息[8],所得码元与载波的相位变化关系与QPSK调制类似,两种调制方式的功率谱密度相同,区别仅仅在于QPSK调制的相位是绝对相位,DQPSK调制的相位是相对相位.1.2 DQPSK解调原理采用相干检测法对QPSK信号进行解调,利用2个相互正交的本地参考载波对2个二相信号分别进行相干解调[9].解调之后得到的两路并行码元,经过一个并/串变换电路后,作为串行数据输出.解调完成后,将相对码再转换为绝对码,恢复出原始的基带信号,这个过程称为逆码变换.与发送端的编码器功能相反,接收端需要设计一个差分解码器.因此,DQPSK的解调可视为在QPSK解调过程之后,再加入一个逆码变换. 在误比特率相同的情况下,相比QPSK解调,DQPSK解调需要增加约2 dB信号功率,解调性能略差,但是DQPSK解调不需要本地参考载波,不存在相位模糊的情况,较易实现,因此广泛应用于信噪比较高的场合.2 基于FPGA的DQPSK调制解调算法设计2.1 设计思路首先设计各个子功能模块,如串/并(并/串)转换模块、差分编解码模块、低通滤波器模块、数字振荡器(NCO)模块、乘法器模块、鉴相器模块等,根据模块的具体功能选择采用硬件描述语言Verilog HDL进行编写或者直接进行知识产权(IP)核调用.再根据电路需求将各个子模块进行功能整合,分别完成码型变换、QPSK调制、极性Costas环、位同步环等功能设计.最终通过顶层控制模块将其整合为DQPSK调制和解调两大功能,完成整个算法设计.2.2 DQPSK调制的FPGA设计DQPSK调制器的内核是2个乘法器.差分编码器输出的两路数据与NCO产生的载波相乘.两路载波的相位是正交的,分别称为同相I支路和正交Q支路.调制后的两路信号再进行叠加,就可以得到DQPSK调制信号.DQPSK调制器的模块和功能如表1所示.表1 DQPSK调制器模块功能表模块名功能描述串/并转换模块将输入数据变成宽度加倍的并行码I路和Q路差分编码模块比较当前码元和前一码元的相位差,对两路数据进行差分编码,解决相位模糊问题数字振荡器模块生成正弦载波和余弦载波乘法器模块差分编码器输出的数据与载波相乘,完成调制加法器模块将调制好的I路和Q路信号相加,送入信道由于要对基带信号进行成型滤波,采用直接调相法产生DQPSK信号.DQPSK调制算法的设计参数为:基带成型滤波器滚降系数α=0.8;符号速率R=1 Mbit·s-1(此处指四进制数据,每个符号代表两位二进制数据);输入数据速率(采样速率和FPGA系统时钟频率)fs=8R=8 Mbit·s-1;载波信号频率fc=2 MHz;输出数据位宽B=16. DQPSK调制的FPGA设计流程框图如图1所示.图1中的输入信号为待调制的基带信号,采用小端模式的串行二进制数据,包括调制电路所需的时钟信号及全局reset信号作为输入数据;输出即为并行的DQPSK调制信号dout,可直接用于后级的信号发送单元.图1 DQPSK调制的FPGA设计流程框图采用Verilog HDL设计码型变换模块,完成输入单比特数据的串/并转换、差分编码、双极性码变换这几项功能模块的编写设计,可调用系统已有的IP核实现其他模块,如数字振荡器、成型滤波器、乘法器等,这样不仅能够减少工作量,提高效率,还可以保证设计的性能.2.3 DQPSK解调的FPGA设计从接收端来看,由于接收到的信号一般为高频信号,需要先对信号进行下变频处理.为了能够恢复出原始信号的特征,还需要进行位定时同步和载波同步.经过同步的信号再通过抽样判决、差分解码和并/串转换等步骤还原出原始信号.DQPSK解调器主要模块构成和功能如表2所示.表2 DQPSK解调器模块功能表模块名功能描述乘法器模块经过采样量化后的信号与本地载波相乘,完成信号频谱搬移低通滤波器模块滤除输出信号的中高频分量数字振荡器模块受相位差信号控制,每输入一个相位差信号,就相应输出一组正弦和余弦信号载波同步模块得到一个同频同相的正弦波位同步模块得到码元的最佳采样点抽样判决模块对数据进行抽样并判断正负号.若数据大于0,则判为“0”;若数据小于0,则判为“1”差分解码模块差分编码的逆过程,将判决后的数据根据逆变换规则进行差分解码并/串转换模块将两路数据并为一路输出要组成一个完整的DQPSK解调系统,需要极性Costas环完成相干载波的提取,并产生正交、同相支路的基带波形[10-11],需要进行位同步,需要进行差分解码.在对各个子模块进行设计的基础上,解调系统只需给出一个顶层文件,将各个模块通过组件以实例化的形式连接起来,并增加一些逻辑电路处理.解调系统的FPGA设计流程如图2所示.图2 DQPSK解调系统FPGA设计流程图3 仿真与结果分析本设计采用ModelSim仿真软件,该软件提供了友好的仿真环境,集成了性能分析、波形比较、代码覆盖、数据流、信号检测(signal spy)、虚拟对象(virtual object)、Memory窗口、Assertion窗口、源码窗口显示信号值、信号条件断点等众多调试功能.对调制系统进行仿真测试,FPGA平台下的DQPSK调制信号dout输出如图3所示.由图3可见相邻码元的相位变化.图3 DQPSK调制信号ModelSim仿真波形DQPSK解调在FPGA平台下的ModelSim仿真波形图如图4所示.从图4可以看出,在载波同步环和位同步环都趋于稳定后,DQPSK解调后的输出与输入相比,较为一致,仅存在一些信号处理过程中产生的延时差异.图4 DQPSK解调系统ModelSim仿真波形完成综合实现后,工作过程区中自动显示整个设计所占用的器件资源情况.本设计选用的目标器件是Altera公司的Cyclone IV系列器件EP4CE6E22C8.器件资源使用情况如表3所示.表3 器件资源使用情况表名称使用个数占比/%LogicElements(逻辑单元)244616Rigister(寄存器)222514MemoryBits(存储器)25441EmbeddedMultiplier9-bitelements(9bit嵌入式硬件乘法器)22系统最高工作频率为132 MHz,高于设计要求的8 Mbit·s-1的采样速率.4 结束语本文设计了一个基于FPGA的数字调制解调算法,首先对数字调制解调系统中的DQPSK调制解调原理进行了理论分析,在算法设计中,分别完成了差分编解码器、DQPSK调制、极性Costas环和位同步环的构建,并通过顶层文件将各子模块功能整合为基于FPGA的DQPSK的调制解调算法.本设计仅通过软件升级就达到了整体电路升级的效果,具有一定的参考价值.参考文献:【相关文献】[1] 郭天赐.数字调制与解调技术的研究 [J].河南科技,2016(5):41-42.GUO T C.Research on digital modulation and demodulation technology [J].Journal of Henan Science and Technology,2016(5):41-42.[2] 段程鹏.测控通信中QPSK调制解调技术的设计与实现 [D].西安:西安电子科技大学,2014. 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四相移相键控调制解调