基于FPGA的QPSK调制解调的系统仿真
摘要:本文针对传统的四相移键控(QPSK)的调制解调方式提出一种基于高速硬件描述语言(VHDL)的数字式QPSK调制解调模型。

这种新模型便于在目标芯片FPGA／CPLD上实现QPSK调制解调功能。

文中介绍了QPSK调制解调的原理,并基于FPGA实现了QPSK 调制解调电路。

并给出了可编程逻辑器件FPGA的最新一代集成设计环境QuartusⅡ进行系统仿真的仿真结果。

关键词:QPSK FPGA 调制解调仿真
无线通信在现代社会中起着举足轻重的作用。

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。

在众多调制方式中,四相相移键控(QPSK)信号由于抗干扰能力强而得到了广泛的应用,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。

现场可编程门阵列(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,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。

本课题主要研究了基于FPGA的QPSK调制解调的系统仿真,并给出了QuartusII环境下的仿真结果[1]。

1 QPSK调制的原理
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°。

2 QPSK信号的产生与解调
2.1 QPSK信号的产生
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。

2.2 QPSK信号的解调
由于四相绝对移相信号可以看作是两个正交2PSK信号的合成,故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调,即由两个2PSK 信号相干解调器构成。

用两路正交的相干载波去解调,可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。

相干解调后的两路并行码元a和b,经过并/串变换后,成为串行数据输出。

3 基于FPGA的QPSK调制解调电路设计及仿真
在QPSK解调中,对于频率与相位的要求比较高,在解调中由于手动的输入基带信号,造成频率和相位的偏差,而频率与相位的偏差会引起误码率的增加。

为了更好的观察输入输出波形,在quartusII中创建调制功能模块和解调功能模块,再新建一个波形文件,插入生成的调制模块和解调模块,创建一个系统模块后进行功能仿真。

调制解调输出波形。

系统输出有一定的延迟,与输入信号相比还有一点偏差,但误码率明显减少,还是取得出了预期的效果。

多进制数字调制技术与FPGA 的结合使得通信系统的性能得到了迅速的提高。

文中基于FPGA方式实现了QPSK数字调制解调电路的设计,它比传统的模拟调制方式有着显著的优越性,通信链路中的任何不足均可以借助于软件根除,不仅可以实现信息加密,而且还可通过相应的误差校准技术,使接收到数据准确性更高。

为了设计更简单采用了调相法进行QPSK解调设计,更适合于FPGA实现,系统的可靠性也更高。

4 结语
多进制数字调制技术与FPGA的结合使得通信系统的性能得到了迅速的提高。

本文完成了基于FPGA的数字QPSK调制解调器的系统仿真。

由于QPSK优越的性能,随着EDA技术的进一步发展,该设计有着一定的技术价值。

参考文献
[1] 刘连青.数字通信技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
[2] 樊昌信,张甫翊,徐丙祥,等.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2001．。