一種中頻接收機QPSK解調器的設計

中國電子科技集團公司第二十研究所 黃 河

數(shù)字解調技術在數(shù)字通信系統(tǒng)中是非常重要的一項技術，在軍用和民用方面都有廣泛的應用。本文主要研究數(shù)字解調技術中常用的一種解調方式，即QPSK解調。近年來，隨著數(shù)字集成電路工藝和技術的發(fā)展和進步，由于FPGA的可編程性和并行處理的特點，廣泛使用于無線通信領域。本文主要研究了一種中頻接收機QPSK解調器的實現(xiàn)方法，使用Vivado和Matlab進行聯(lián)合仿真，驗證了基于FPGA平臺的實現(xiàn)。

1 QPSK調制解調原理

四相相移鍵控QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）是一種常用的數(shù)字信號處理的調制方式，利用四個不同的相位來表示數(shù)字信息。QPSK調制的輸入數(shù)據(jù)是二進制序列，將輸入數(shù)據(jù)兩兩分組，因此QPSK信號為00、01、10、11四種狀態(tài)，每一種狀態(tài)為雙比特碼元。QPSK信號規(guī)定了四種相位的載波，相位分別為45°，135°，225°和315°，QPSK調制信號每次可傳輸一個雙比特碼元，映射到4種相位的載波，來表征傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。QPSK調制原理圖如圖1所示。

圖1 QPSK調制原理圖

解調的方法一般分為相干解調和非相干解調，對于QPSK調制信號，使用非相干解調。QPSK調制信號首先進入數(shù)字下變頻（DDC）模塊，數(shù)字下變頻的作用是由載波同步模塊恢復出的載波信號與經(jīng)過帶通濾波器的已調信號進行混頻，然后通過低通濾波器濾波，得到0頻附近的基帶信號。再經(jīng)過判決抽取和串并變換即可得到正確的基帶信號了，在抽取判決的過程中，為了保證判決時刻能夠盡量靠近碼元中間位置，降低解調誤碼率QPSK解調原理圖如圖2所示。

圖2 QPSK解調原理圖

2 QPSK解調器的FPGA設計及實現(xiàn)

本文設計的QPSK解調器主要包括下變頻DDC模塊，解調模塊，載波同步模塊以及位同步模塊等。

2.1 DDC模塊設計

DDC完成60MHz帶寬內中頻（基帶）有用信號的下變頻、抽取和濾波。其步驟分為低通濾波、抽取、低通濾波三個步驟。其中第一個低通濾波為高采樣率下的低通濾波，第二個低通濾波為抽取后低采樣率下的低通濾波。DDC實現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 DDC流程設計

2.2 解調模塊設計

信號解調一般采用相干解調方式，接收端需要提供一個與發(fā)射端調制載波同頻同相的相干載波，因此需要對接收信號進行載波同步和位同步。本方案針對非合作解調場景，載波同步采用基于判決反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術實現(xiàn)，位同步采用數(shù)字鎖相位同步環(huán)實現(xiàn)。

2.2.1 載波同步設計

載波恢復用于校正載波頻差及相位抖動，以恢復正確的星座圖。本文的設計是通過判決反饋的方法去恢復載波?；谂袥Q反饋環(huán)的數(shù)字鎖相技術原理如圖4所示。該方法是將判決后的信息進行利用，相較于非判決反饋載波恢復性能更優(yōu)。

圖4 數(shù)字鎖相技術原理圖

判決前的采樣點與判決后的采樣點進行復相關運算，提取相位誤差，并通過環(huán)路濾波器和NCO，將誤差補償?shù)奖镜禺a生的載波中，與信號相乘，以達到糾正頻偏和相偏的目的。

2.2.2 位同步設計

位同步存在兩種情形：當輸入的數(shù)據(jù)源為多比特數(shù)據(jù)的情形，此時最佳判決時刻和位定時脈沖的條件需要同時滿足；當輸入的數(shù)據(jù)源是單比特數(shù)據(jù)的情形時，僅需要將定時脈沖的頻率確定就可以。因此為了達到最佳判決的效果，本文采取適當?shù)耐椒椒▉碚{整接收系統(tǒng)的判決時鐘。數(shù)字鎖相環(huán)位同步法，該方法采用鑒相器來調整位同步信號的相位，當達到穩(wěn)定狀態(tài)時，兩個信號的相位是一致的，這種方法由于結構較為簡單，非常適合使用FPGA來實現(xiàn)，其原理框圖如圖5所示。

圖5 位同步原理框圖

位同步的環(huán)路主要通過分頻器，鑒相器和控制器等構成，在該環(huán)路中，鑒相器的作用是將輸入信號與本地估計信號的相位進行比較，得到的超前或滯后的相位差信息，將該信息送給控制器，控制器產生脈沖控制信號來改變數(shù)控振蕩器時鐘的相位和周期，將本地估計的信號的相位逼近輸入信號的相位。

2.3 仿真驗證

使用Matlab生成QPSK調制信號，并存入txt文件中，根據(jù)QPSK解調原理，首先進行數(shù)字下變頻(DDC)，然后進行濾波，最后抽取并判別。圖6和圖7分別為Matlab和FPGA實現(xiàn)的濾波后和抽取后的波形，可見FPGA實現(xiàn)的波形與Matlab實現(xiàn)的波形相一致。將Vivado仿真后解調數(shù)據(jù)導入Matlab進行對比，與Matlab結果一致，無誤碼，如圖8所示。

圖6 Matlab仿真波形圖

圖7 Vivado仿真波形圖

圖8 Vivado與Matlab結果對比圖

結束語：本文主要給出了一種在FPGA中實現(xiàn)QPSK解調的方法，通過Matlab和Vivado進行聯(lián)合仿真，從算法和硬件實現(xiàn)的仿真都達到了較好的效果，在各階段的時序和波形進行了驗證。隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，對于通信距離，通信質量的要求越來越高，QPSK調制解調技術一直是學者研究的熱點，因此提供一種實現(xiàn)方法具有一定的研究意義，同時該技術可以廣泛應用于軍事，民用的通信領域中。