QPSK调制解调的系统仿真实验

杭州电子科技大学学报

Journal　of　Hangzhou　Dianzi　University

Vol.26,No.5　

Oct.2006　

QPSK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)

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ELANIX公司的动态系统设计、仿真和分析软件SystemView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)05-0052-04

0　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(QuardraturePhase-ShiftKeying,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-ShiftKeying,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π2m(m=0,1,…,M-1),因似,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φm=M

此调制信号如:

　　　　　　Sm(t)=

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.

φmcosωct-EsgT(t)cosφmsinωctEsgT(t)sin

第5期　　　　　　　　　　高雪平等:QPSK调制解调的系统仿真实验　　　　　　　　　　　53　　　　　　0≤t≤Ts,m=0,1,…,M-1为信号持续时间;Es为每一个发送符号的能量(A=φm,Q(t)=-cos

Es);为载波的角频率。只要令:I(t)=

(1)

式中,A是信号振幅;gT(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;Ts

EsgT(t)

φm,就可以实现QPSK信号。EsgT(t)sin

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SystemView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CoreGenerator配套,可以将SystemView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SystemView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SystemView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,To2ken13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。

　杭州电子科技大学学报　　　　　　　　　　　　　2006年54　　　　　　　　　　　　

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;

第5期　　　　　　　　　　高雪平等:QPSK调制解调的系统仿真实验　　　　　　　　　　　55(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———SIN/COSLOOKUPTABLE产生所需的正

弦和余弦波。该IP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SystemView得到所需的滤波器参数后,运用SystemView的FPGA功能自动调

用IP核。在次过程中,FPGAArchitect—XilinxXC4000/Spartan功能将对设计进行校验,检验参数是否符合XilinxDSPLogicCORE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SystemView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QPSK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.

TheExperimentofQPSKModulationandDemodulationSimulation

GAOXue2ping1,GUANBo2ran1,WANGHai2yong2

(1.SchoolofElectronicandInformation,HangzhouDianziUniversity,ZhejiangHangzhou310018,China;

2.The50thelectronicsresearchinstituteoftheministryofinformation,Shanghai200063,China)

Abstract:Nowadaysarethecommnunicationtimes.Allkindsofinformationtechnologiesaresupportedbythe

transmitandcommunicate.Thispaperisanalysingtheprincipleofthekeymodulationanddemodulationtechnolo2giesofQPSK.Itcarriesonsimulationwiththedynamicsystemdesign,simulationandanalysessoftware-U.S.A.ELANIXCompany’sSystemViewandanalysesthesimulationresult.Atthesametime,putsforwardthemethodtouseFPGAtechnologyforachievingtheQPSKmodulationanddemodulationsystem.Keywords:QPSK;modulerandde-moduler;fieldprogrammablegatearray