第26卷第5期杭州电子科技大学学报Vol.26,No.5 2006年10月Jo urnal of Ha ngzhou Dianzi Uni versi ty Oct.2006QPSK 调制解调的系统仿真实验高雪平1,官伯然1,汪海勇2(1.杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;2.电子工业部第五十研究所,上海200063)收稿日期:2006-09-30作者简介:高雪平(1981-),女,浙江温州人,在读研究生,电磁场与微波技术.摘要:该文介绍了各种信息技术中信息的传输及通信起着支撑作用,而对于信息的传输,数字通信已成为重要手段。
该文根据当今现代通信技术的发展,对QPSK 信号的调制解调问题进行了分析,并给出了用美国E LANIX 公司的动态系统设计、仿真和分析软件System View 进行系统仿真的具体设置,分析了仿真结果,并提出了用FPGA 技术实现这种系统的详细方法。
关键词:四相相移键控信号;调制解调;现场可编程门阵列中图分类号:TN401 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2006)05-0052-040 引 言近年来,软件无线电作为解决通信体制兼容性问题的重要方法受到各方面的注意。
它的中心思想是在通用的硬件平台上,用软件来实现各种功能,包括调制解调类型、数据格式、通信协议等。
通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能,充分体现了体制的灵活性、可扩展性等。
其中高性能、高频谱效率的调制解调模块是移动通信系统的关键技术,它的软件化也是实现软件无线电的重要环节。
四相相移键控信号(Quardrature Phase-Shift Keying,QPSK)。
它具有一系列独特的优点,比如抗干扰能力强,在恒参信道下,QPSK 调制技术与FSK 、2PSK 、ASK 调制技术相比较,不但抗干扰能力强,而且能更经济有效地利用频带,适合回传通道的技术要求,因此被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。
FPGA 器件是20世纪80年代中期出现的一种新的概念。
FPGA 器件可反复编程,重复使用,没有前期投资风险,且可以在开发系统中直接进行系统仿真,也没有工艺实现的损耗。
所以本文对QPSK 调制解调系统进行深入的原理分析,并用动态系统工具SystemView 进行仿真,提出基于FPGA 的实现方案。
1 QPSK 调制解调的原理数字相位调制(Phase-Shift Keying,PSK)。
是角度调制、恒定幅度数字调制的一种方式,通过改变发送波的相位来实现,除了其输入信号是数字信号以及输出的相位受限制以外,PSK 与传统的相位调制相似,对于经过M=2k 相位调制的数字信号来说,载波信号的相位一般有 m =2 m M (m=0,1, ,M-1),因此调制信号如:S m (t )=E s g T (t)cos m cos c t-E s g T (t)sin m sin c t0 t T s ,m=0,1, ,M-1(1)式中,A 是信号振幅;g T (t)为发射端的滤波脉冲(一般为矩形脉冲),决定发送信号的频谱特征;T s 为信号持续时间;E s 为每一个发送符号的能量(A=E s );为载波的角频率。
只要令:I (t)=E s g T (t)cos m ,Q(t)=-E s g T (t )sin m ,就可以实现QPSK 信号。
本文以相对简单但广泛采用的四相相位调制解调进行模拟坊真,并提出了用FPGA 实现的方案。
四相相位键控也称之为正交PSK,其调制解调原理根据软件无线电的通用模型,如图1、2所示。
图1 QPSK 正交调制 图2 QPSK 相干解调2 QPSK 调制解调设计美国Ealnix 公司的SystemVie w 是一个完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化环境,是一个适合多种操作系统的单机和网络平台。
是一个不错的信号与系统分析、设计和研究平台。
它包含各种专业库和功能块,与Xilinx 公司的软件Core Generator 配套,可以将Syste mVie w 系统中的部分器件生成下载FPGA 芯片所需的数据文件。
根据以上的原理,建立QPSK 信号的调制解调系统的SystemVie w 模型,如图3所示。
加法器之前是调制系统,高斯噪声发生器(Token46)作为模拟信道声源,加法器之后是解调系统。
图3 QPSK 调制解调系统的Syste mVie w 仿真图为了便于观察,将系统时钟设为1000Hz 。
Token0是PN 序列仿真的二进制码流,速率为10Hz,To ken13是串/并变换子系统,具体实现如图4所示,采样器Token46和50的采样率为500Hz,使串并变换后码流速率减为一半,如图5所示。
这样使偶数码元和奇数码元正好相隔一个码元宽度被采样,得到I 路和Q 路信号后相加后完成调制。
加法器之后是解调系统。
用同频同相的正弦波与已调信号相乘,图5中通过低通滤波器后进行抽样判决,经过并/串变换系统,可以得到解调的信号。
53第5期 高雪平等:QPSK 调制解调的系统仿真实验QPSK 调制解调系统正确地完成了输入码流的调制和解调,在输出端成功的恢复了带延迟的码流信号,具体如图6、7所示。
图4 串/并子系统 图5抽样判决子系统图6原始的二进制码流图7 解调后的二进制码流3 QPSK 调制解调的FPGA 实现的思想FPGA 器件可反复编程,重复使用,没有前期投资风险,且可以在开发系统中直接进行系统仿真,也没有工艺实现的损耗。
因此,用FPGA 来设计实现QPSK 具有许多的优势,它不仅具有高性能和设计的灵活性,还可以在线重配置、分布式计算技术、数据宽带的增大、流水线技术、强大的时钟综合能力以及与ASIC 技术的融合趋势。
具体的实现如下所述:(1)PN 码的实现。
伪随机(PN)码是一种子相关的二进制序列,在一个周期内其子相关性质类似随机序列,可以用移位寄存器实现,主要由移位寄存器和反馈函数构成。
本模型用移位寄存器溢出数位(最高位)与最低位取模2运算,结果补充给最低位,不断循环,产生PN 序列;54 杭州电子科技大学学报 2006年(2)串/并变换模块的实现。
由采样控制器和一位计数器组成。
采样控制器产生跟码流速率10Hz 相同的脉冲,即每个码元数据周期的中间采样一次,同时对采样脉冲进行0,1循环计数。
如果脉冲计数输出为0时,即采样值输出为同相的I 路数据;脉冲计数输出为1时,采样值正交的Q 路数据;(3)数控震荡器模块的实现。
使用Xilin 提供的IP 核 SI N/C OS LOOK UP TABLE 产生所需的正弦和余弦波。
该I P 核根据查找表存储周期的正弦幅值,对应输入的角度和相位,做出相应的反相和移相,输出周期范围内的正、余弦载波值;(4)滤波器的实现。
用System View 得到所需的滤波器参数后,运用SystemVie w 的FPGA 功能自动调用IP 核。
在次过程中,FPGA Architec t Xilinx XC4000/Spartan 功能将对设计进行校验,检验参数是否符合Xilinx DSP LogicCORE 的要求。
符合要求后,将设计转换到Xilinx 的设计环境中,其中包括Verilog 的行为级仿真模型和网表文件。
4 结 论在信息时代的今天,软件无线电的提出和发展,标志着无线通信质的飞跃。
本文介绍了基于软件无线电的思想,使用SystemVie w 对QPSK 信号进行仿真和分析,并结合FPGA,提出了实现的方法。
其他调制解调方式也可以通过类似的方法得到。
参考文献[1] 杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001:189-193.[2] 赵海潮,周荣花,沈业兵.基于FPGA 的QPS K 解调器的设计与实现[J].微计算机信息,2004,20(7):76-77.[3] 刘凌,胡永生.数字信号处理的FPGA 实现[M].北京:清华大学出版社,2003:272-278.The Experiment of QPSK Modulation and Demodulation SimulationGAO Xue ping 1,GUAN Bo ran 1,WANG Hai yong 2(1.School o f Electronic and In formation,Hangzhou Dian z i Uni versity ,Zhe jiang H an gzhou 310018,China;2.The 50th electronics research institute of the ministry o f in f ormation,Shanghai 200063,China)Abstract:Nowadays are the commnunication times.All kinds of information technologies are supported by the transmit and communicate.This paper is analysing the principle of the key modulation and de modulation technolo gies of QPSK.It carries on simulation with the dynamic system design,simulation and analyses software-U.S.A.ELANI X Company s System View and analyses the simulation result.At the same time,puts forward the method to use FPGA technology for achieving the QPSK modulation and demodulation system.Key words:QPSK;moduler and de-moduler;field programmable gate array 55第5期 高雪平等:QPSK 调制解调的系统仿真实验。