基于DSP的QPSK信號解調

李運洲 ,韋春玲 ,何憲文

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基于DSP的QPSK信號解調

李運洲1,韋春玲2,何憲文3

(1. 海軍92665部隊, 湖南常德 415300；2. 黃岡師范學院, 湖北黃岡 438000；3. 海軍工程大學, 武漢 430033)

本文介紹了QPSK信號產生和解調的相關原理。利用數(shù)字信號處理芯片運算速度快、可編程性能好、抗干擾能力強，能適合于實現(xiàn)復雜的算法的特點，結合CCS開發(fā)平臺，完成了以匯編語言為基礎的QPSK信號解調的DSP仿真。通過對比Matlab仿真和DSP仿真結果，驗證設計的解調過程各項性能指標均達到設計的要求。

DSP QPSK Matlab 仿真

0 引言

QPSK調制技術作為現(xiàn)代數(shù)字調制技術的一種，有抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高等優(yōu)點，同時，由于QPSK是一種恒包絡調制，其信號的平均功率是恒定的，使得信號不受幅度衰減的影響，幅度上的失真不會使QPSK產生誤碼。鑒于以上優(yōu)點，QPSK被廣泛應用于數(shù)字通信、數(shù)字視頻廣播、衛(wèi)星數(shù)據傳輸、移動通信以及軍事通信等領域。

近年來，數(shù)字信號處理（DSP）技術的發(fā)展十分迅速，許多從前必須使用硬件電路實現(xiàn)的信號處理過程，現(xiàn)在已經逐漸由軟件實現(xiàn)的DSP算法所取代，而且功能更強大，性能更可靠，接口更通用，互連更靈活。DSP技術已經滲透到數(shù)字通信領域的各個環(huán)節(jié)，如編碼譯碼、數(shù)字濾波、調制解調、時鐘同步、載波同步等。事實表明，DSP技術在通信和計算機應用領域起著越來越重要的作用。可見如果將兩者相結合，利用DSP強大的數(shù)字信號處理功能可以更高效地實現(xiàn)QPSK的調制解調。

1原理及方案設計

QPSK調制技術是使用4種不同相位差的載波來表征輸入的數(shù)字信息。每一次調制能夠傳輸2個信息比特，信息就是通過載波的4種相位來傳遞的。

QPSK信號產生流程見圖1。

由于產生的QPSK信號是射頻信號，因此需要對信號進行下變頻，然后再對信號進行解調。

根據奈奎斯特定理，設無符號間干擾的碼元波形的條件是：設接收濾波器對輸入脈沖的響應的頻譜為（），符號速率為1/，那么（）以1/為間隔進行頻譜搬移后，得到的新的頻譜的幅度應該是一條等幅直線。根據這一條準則，我們可以設計（）為升余弦。為了進行匹配濾波接收，將（）開方，得到根升余弦濾波器，分別放在發(fā)送端和接收端。這樣，從接收端匹配濾波器輸出的信號恰好就是升余弦信號。

為了得到根升余弦信號，我們可以讓一個沖擊經過根升余弦濾波器，濾波器的輸出就是所要得到的信號。而在數(shù)字濾波器中，可以將一連串的數(shù)字信號看成是多個沖擊的疊加。所以我們在設計時，可以讓信號直接通過根升余弦濾波器，得到波形成形之后的信號。需要考慮的問題是采樣頻率，符號速率，載波頻率，成形后波形帶寬（即基帶信號的帶寬）之間的關系，以及對原信號的插值倍數(shù)。下面描述上述參數(shù)之間的關系以及對原信號插值倍數(shù)的計算。

射頻頻率和符號速率是給出的。我們要確定的就是采樣頻率。設射頻頻率為s，采樣頻率為，符號速率為1/，成形后波形的帶寬為。那么，根據奈奎斯特采樣定律，采樣頻率只需要是+的2倍就可以了。也就是說，平均每個載波周期內采（2+2*/）個點，一般來說，遠小于，所以理論上平均每個周期采2個點。在實際的應用中，要想把信號提取出來，如果采樣率只是最高頻率的兩倍，那樣就需要理想的濾波器，而理想濾波器在實際中是不能實現(xiàn)的，所以需要提高采樣率。此外，為了使得經過模數(shù)轉換之后的輸出信號有較理想的波形，取采樣頻率為的10倍。那么每個載波周期有十個采樣點。因為符號速率為1/，所以一個符號對應的載波周期的個數(shù)為*，所以每一個符號對應的點數(shù)是**10。所以插值的倍數(shù)就是**10。

2 QPSK信號Matlab仿真及DSP實現(xiàn)

為了驗證DSP實現(xiàn)的正確性，我們在DSP實現(xiàn)之前用Matlab對QPSK信號進行仿真，得到正確的仿真結果用于與DSP實現(xiàn)的結果進行對比。

對接收信號進行下變頻，得到I/Q兩路信號，如圖4所示。

為了減小工程實現(xiàn)的難度，在DSP實現(xiàn)中我們使用Matlab軟件產生QPSK信號。DSP的具體實現(xiàn)是通過開發(fā)軟件CCS完成的。DSP實現(xiàn)步驟如下：

1）用matlab生成接收信號，存入fir_signal.inc文件中。過程如下，在matlab中找到接收信號變量，將其內容復制到文本文檔，然后用Mat2ASM軟件將每個數(shù)據前加一個逗號，并且將數(shù)據轉化成一列的形式，復制該列數(shù)據到ccs新建的文件，然后查找逗號并替換成“ .word ”的形式，最后保存成inc文件即可。在主程序中用“.copy”將文件包含進去即可。同理將載波信號分別存入carry_wave_i.inc 和carry_wave_q.inc兩個文件中。

2）接收信號經過下變頻，得到I,Q兩路信號。分別給這兩路信號分配一個存儲空間，OUTPUT_INPUT_I和 OUTPUT_INPUT_Q。將經過下變頻得到的結果存入這兩個空間之中。

下變頻的代碼如下：

STM #INPUT,AR2 STM #CARRY_WAVE_I,AR3

STM #OUTPUT_INPUT_I,AR4

STM #RE_NUM-1,BRC RPTB LOOP0-1

MPY *AR2+,*AR3+,A

STH A,*AR4+

LOOP0:

STM #INPUT,AR2

STM #CARRY_WAVE_Q,AR3 STM #OUTPUT_INPUT_Q,AR4

STM #RE_NUM-1,BRC

RPTB LOOP1-1

MPY *AR2+,*AR3+,A

STH A,*AR4+

LOOP1:

“LOOP0”執(zhí)行的是I路，“LOOP1”執(zhí)行的是Q路。

3）下變頻完成之后，進行根升余弦濾波。濾波的思路是先將I路完全處理完，并將結果存入OUTPUT_I 中，然后再對Q路進行處理，并將結果存入OUTPUT_Q中。參照課本上的濾波的代碼，其濾波的實際代碼如下（此處只寫出了I路的濾波代碼，Q路的代碼與此相似）：

STM #COFFBUF,AR5

RPT #N-1

MVPD #COFF_FIR,*AR5+

STM #1,AR0

STM #DATABUF,AR4

RPTZ A,#N-1

STL A,*AR4+

STM #(DATABUF+N-1),AR4

STM #COFFBUF,AR5

FIR_TASK_I:

STM #OUTPUT_INPUT_I,AR6

STM #OUTPUT_I,AR7

STM #KS-1,BRC

RPTBD LOOP2-1

STM #N,BK

LD *AR6+,A

FIR_FILTER_I:

STL A,*AR4+%

RPTZ A,N-1

MAC *AR4+0%,*AR5+0%,A

STH A,*AR7+

4）濾波完成之后再進行采樣判決。通過ccs上的圖形可以直接找到信號的最值點，然后將他們記錄下來，找出最佳的采樣點，直接將其輸出，結果存入SAMPLE_OUT_I和SAMPLE_OUT_Q中。代碼如下（僅I路信號的采樣代碼）：

STM #32H,AR0

STM #OUTPUT_I,AR1

ADDM #100,AR1

STM #SAMPLE_OUT_I,AR2

STM #4,BRC

RPTB LOOP4-1

LD *AR1+0,A

STL A,*AR2+

LOOP4:

5）采樣點的數(shù)據得到之后，根據兩路的采樣結果，整合判決得到原始的發(fā)送信號將最終的結果存入JUDGE_OUT中。

經過上述處理流程，QPSK信號解調DSP實現(xiàn)完成。

完成下變頻后的兩路信號如下圖所示：

下變頻信號經過根深余弦濾波之后的信號：

最終的判決結果如下：

通過比較Matlab仿真得到的結果與DSP實現(xiàn)得到的結果，可以看出本文設計的QPSK信號的DSP實現(xiàn)方法是正確的，能夠順利完成QPSK信號的解調。

3 總結

DSP芯片為實現(xiàn)各類信號的高速實時處理提供了充足的硬件資源，同時TI公司的CCS開發(fā)平臺提供了靈活高效的開發(fā)環(huán)境，因此，我們可以通過上述方法輕松實現(xiàn)QPSK信號的解調。

[1] 戴明楨，周建紅．TMS320C54x DSP結構、原理及應用（第2版）[M]．北京航空航天大學出版社，2007.

[2] 馮桂，林其偉，陳東華.信息論與編碼技術[M].清華大學出版社，2007.

[3] 王金龍．無線通信系統(tǒng)的DSP實現(xiàn)[M]．人民郵電出版社，2002.

Simulation of Hamming Coding Based on DSP

Li Yunzhou1, Wei Chunling2, He Xianwen3

(1. Army Unit 91388, Changde 415300, Hunan, China; 2. Huanggang Normal University,Huanggang 438000, Hubei, China;3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

TN914

A

1003-4862（2016）05-0059-04

2016-03-15

李運洲(1982-)，男，工程師。研究方向：有線光纖通信。