QPSK数字解调与FPGA的实现

612010年第07期，第43卷通信技术Vol.43，No.07,2010总第223期CommunicationsTechnologyNo.223,TotallyQPSK数字解调与FPGA的实现朱玉颖，杨小华，姚远程（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010）【摘要】软件无线电接收机，要求解调模式灵活可变，需设计一个基本的IQ正交解调模型，通过参数设置来改变解调模式。介绍一种四相相移键控（QPSK）的数字解调方案，以现场可编程门阵列（FPGA）来实现NCO、DDS、数字相乘、FIR滤波等关键算法。通过原理设计、Simulink系统仿真、VerilogHDL语言编程和FPGA实现，完成了QPSK数字解调器的电路设计，通过仿真并下载试验，得到了良好的解调质量。【关键词】QPSK解调；FPGA；FIR滤波【中图分类号】TP393【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)07-0061-03QPSKDigitalDemodulationandFPGAImplementationZHUYu-ying,YANGXiao-hua,YAOYuan-cheng(InformationEngineeringInstitute,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan,621010,China)【Abstract】Software-radioreceiver,requiresaflexibleandvariabledemodulationmode,thusitisnecessarytodesignabasicmodelofIQquadraturedemodulation,andbyparameterssetting,tochangethedemodulationmode.ThepaperdescribesaoverallschemeofQPSKdigitalcoherentdemodulation,includingthekeyalgorithmforachievingNCO,DDS,digitalmultiplicationandfilteringbyFPGA.Inthispaper,QPSKdemodulatordesigniscompletedbyusingprincipledesign,Simulinksimulation,VerilogHDLlanguageprogrammingandFPGA.Thedownloadingexperimentsindicatethatthissystempossessesagoodqualityofdemodulation.【Keywords】QPSKdemodulation;FPGA;FIRfiltering0引言QPSK调制信号[1]是抑制载波的信号，无法用常规的锁相环或窄带滤波器直接提取参考载波，但它又不同于一些连续相位调制信号，其载波相位变化只能取有限的几个离散值，这就隐含了参考载波的相位信息。所以，可以通过非线性处理，消除信号中的调制信息，产生与原载波相位有一定关系的分量，然后再提纯该信号，恢复已被抑制的载波信号，进而完成信号的相干解调[2]。QPSK调制由于具有较好的频带利用率[3]，在现代卫星通信系统中得到了广泛应用。1NCO和FIR滤波器的设计数控振荡器一般由相位寄存器、相位累加器和正弦波查找表等部分组成。正弦波样本可以用实时计算的方法产生，但这只适用于信号采样频率很低的情况。在软件无线电超高速信号采样频率的情况下，NCO[4]实时计算的方法比较困难。此时，用NCO产生正弦波样本最有效、最简便的方法就是查找表法。其工作原理是，通过相位累加器产生的地址信息，输出与当前时刻的相位值所对应的正弦值。此时NCO输出的正弦波的频率为word·2clknffφ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠。通过设定NCO的wordϕ的大小，来产生希望的频率的正弦波；反之，wordϕ的大小是根据已知正弦波的频率计算得到的。例如，如果NCO的相位累加器的时钟频率为100MHz，相位累加器的位数为16位，wordϕ为8000H，则NCO输出的正弦波频率为168000H·2f⎛⎞=⎜⎟⎝⎠100MHz50MHz=。借助MATLAB[5]生成ROM中定点正、余弦波形数值，形成文件并加载到ROM中。利用MATLAB计算出正、余弦波形的浮点值[5]，并量化为16比特的定点数值。FIR[6]滤波器的设计采用窗函数设计方法，这种方法也称傅立叶级数法，一般是先给出所要求的理想滤波器频率响应j(e)wdH，要求设计一个FIR滤波器频率响应()()()dhnwnhn=来逼近j(e)wdH。但是设计是在时域进行收稿日期：2010-01-11。基金项目：国家自然科学基金资助项目——基于软件无线电的中频数字化接收机技术研究（批准号：10876035）。作者简介：朱玉颖（1977-），女，讲师，主要研究方向为通信与信号处理；杨小华（1985-），女，硕士研究生，主要研究方向为信号分析与处理；姚远程（1962-），男，教授，主要研究方向为卫星通信及软件无线电技术。62的，因而先由j(e)wdH的傅立叶反变换导出)(nHd：πjjπ1()(e)ed2πddhnHωωω−=∫。（1）在MATLAB中提供了相应的函数如fir1(N，Wn，‘窗函数代号’)和fir2(N，F，M，‘窗函数代号’)来产生各种基于窗函数的FIR滤波器。现根据设计的实际需求，采用窗函数设计方法设计30阶低通滤波器。然后通过Matlab仿真得到系数，再采用Xilinx公司提供的IP核进行实现。fbe=[00.250.451];damps=[1100];h=fir2(30,fbe,damps);freqz(h)。2QPSK解调算法的仿真与实现QPSK调制解调[7]原理的Simulink[8]仿真模型如图1所示。OUT1OUT1LN1OUT2LN1OUT1LN1OUT1++BUTTERBUTTER2·sin(4pi·u+pi/2)TIME2·cos(4pi·u+pi/2)TIMELN1OUT1LN1OUT1LN1OUT2LN2图1QPSK调制解调的Simulink仿真在图1中，左侧为调制器部分，包括QPSK码元产生模块（QPSKSource）、串并转换模块（ser2par）、调制器模块（modulator）和加法器。右侧为解调器部分，包含本地载波（LocalCarrier）、乘法器（Product）、低通滤波器（LowpassFilter），抽样判决器，并串变换模块。示波器模块（Scope）用于观察各路波形。图1中的QPSK、串并转换模块和并串转换模块为组合后的子系统，如图2和图3所示。图2串并转换模块图3并串转换模块原始码元由“贝努利二进制随机数发生器”(BernoulliBinaryGenerator)产生，对它的输出作简单调整可得到-1或1的伪随机码输出，即是QPSK调制的信号源。而两路输入由正弦波模块（SineWave）的输出经分路器（Demux）产生，设置a路调制器中的正弦波模块属性中的相位（Phase）为[0，π]，可得到初相位分别为0和π的正弦向量波形，设置b路调制器中的正弦波模块属性中的相位（Phase）为[3π2，π2]，可得到初相位分别为3π2和π2的正弦向量波形。仿真中，QPSK的调制采用调相法[9]。即将QPSK的双比特码元（a，b）转换为I、Q两路码元，对其分别作BPSK调制，再将两路调制波形相加得到QPSK信号，其相位编码逻辑关系如表1所示。表1QPSK信号码元与相位逻辑关系abI路调制输出/(o)Q路调制输出/(o)合成相位/(o)1102703150118027022500180901351009045QPSK信号的调制器仿真波形如图4所示。从上至下，依次为：①输入信号码元；②经串并转换后的a路信号码元；③经串并转换后的b路信号码元；④I路调制波形；⑤Q路调制波形；⑥合成后的QPSK信号。观察信号2和信号3可知输入信号经串并转换后，有一个周期的延迟，且信号周期变为两倍。信号4和信号5中均包含两种相位的调制波形，合成后的信号6包含了四种相位，与表1中的关系相符。图4QPSK调制的仿真波形QPSK信号的解调器仿真波形如图5所示。从上至下，依次为：①QPSK调制信号；②I路载波；③Q路载波；④I路乘法器输出；⑤Q路乘法器输出；⑥I路通过低通滤波后的波形；⑦Q路经过低通滤波后的波形。输出判决模块的主要作用是根据滤波后的数据，依据算法的判决规则，得出基带的数据码流。判决规则是，如果滤波后的数据为正数，则基带数据判决为0，如果滤波后的数据为负数，则基带数据判决为1，如果滤波后的数据为零，则判决成与前一个判决值相反的数据，即前一个为0，则为1，前一个为1，则为0，这样为了保证基带码流中不会出现长的连0或者长的连1。用Verilog语言编写代码实现该部分，代码的实现方法是：当进入一个有符号的数据，由于有符号数的最高位是符号位，因此判断最高位的值，当为“1”时，则输出“0”；当为“0”时，则输出“1”。63图5QPSK解调的仿真波形并串变换模块采用多路器电路原理，由时钟来控制输入的两路信号的输出情况。本文当时钟为高电平时，输出第一路为低电平时，输出第二路。因此，总的输出信号的频率是输入信号频率的2倍。用Verilog语言编写代码，通过输入两组数据“11011000111”和“010011000111”进行测试，理论输出应为“101100101101……”。测试结果如图6所示。图6并串变换波形输出结果示意3结语文章介绍了基于软件无线电的全数字QPSK解调方案，通过下载试验，得到了具有良好实时性和可靠性的解调模块。设计思路及实现流程，也可以应用于包括MSK、QAM等常用的解调器。参考文献[1]LINNY.ASelf-normalizingSymbolSynchronizationLockDetectorforQPSKandBPSK[J].IEEETrans-actionsonWirelessCommunications,2006,5(02):347-353.[2]苏伟.基于软件无线电的BPSK/QPSK解调器的研究[D].北京：北京化工大学，2008.[3]VIJAYKG,YIHCW.ModulationandDemodulationTechnologies[J].TheElectricalEngineeringHandbook,2005(03):971-981.[4]安效君,王力男.NCO的数字化实现及应用[J].无线电通信技术,2004,30(02):51-52.[5]候周国,钱盛友.基于Matlab编程的QPSK的仿真[J].广西师范大学学报:自然科学版,2005(03):21-24.[6]叶仁泽.基于MATLAB的FIR数字滤波器的设计[J].科技资讯,2008(29):34-36.[7]韩露,徐钊,陈婕,等.一种过零脉宽检测QPSK全数字解调器及其FPGA的实现[J].通信技术,2008,41(08):4-6.[8]李媛媛,徐岩,王靖岳.对MATLAB实现数字信号的QPSK的频谱分析[J].通信技术,2008,41(01):41-42.[9]LIMD.AModifiedGardnerDetectorforSymbolTimingRecoveryofM-PSKSingals[J].IEEETransacti-ononCommunications52,2004(10):1643-1647.（上接第60页）同，对吞吐量有影响的是12C，而12C在有协作时的较没有协作时的小。图4比较了有协作和无协作下，系统最优感知时间和最大吞吐量的折衷。在感知时间为大约3ms的时候系统达到最大吞吐量。虽然1u的感知时间较未协作时有少量增加，但大大缩短了2u用户的感知时间，整个认知系统的最大吞吐量也有所增大。0246810126.577.588.599.51010.5u1+u2()吞吐量无中继u