基于DSP的QPSK调制器的设计

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                    ???? 四相相移键控调制（Quaternary Phase Shift Keying，QPSK）是一种线性窄带数字调制技术，它已经在数字调制技术中占有重要的地位，被广泛地应用于卫星通信、移动通信、视频会议系统、蜂窝电话和其它数字通信领域。具有频带利用率高、频谱特性好、抗衰落性能强、较低的比特错误率等优点。
　　DSP技术主要是指将DSP的基本理论和算法付诸实现的途径和方法。传统的DSP技术是当前广泛使用的DSP处理器的解决方案，而这种解决方案日益面临着不断增加的巨大挑战，自身的技术瓶颈导致这种解决方案在DSP许多新的应用领域中的道路越走越窄。而现代DSP技术是相对于传统DSP技术而言的，是基于可编程片上系统SOPC（System ON a Programmable Chip）技术、EDA技术与FPGA实现方式的DSP技术，是现代电子技术发展的产物，它有效地克服了传统DSP技术中的许多瓶颈，在许多方面显示了突出的优势，如高速与实时性，高可靠性，自主知识产权化，系统的重配置与硬件可重构性，单片DSP系统的可实现性以及开发技术的标准化和高效率。QPSK设计采用MATLAB／Simulink DSP Builder开发出用于QPSK调制的正交信号产生单元，在电路模块的形成方式上用DSP Builder的模块调用代替繁琐的VHDL程序，从而方便的得到了所需的结果。系统的实现以FPGA为物理载体，与传统的基于硬件描述语言的设计相比，这种流程更快捷方便灵活。
　　1 QPSK调制原理
　　所谓的QPSK调制就是利用载波的四种不同相位来表征数字信息，每一种载波相位代表两个二进制代码元信息。由于每一个载波相位代表两个二进制码元信息，所以每四个二进制码元又被称为双比*元。
　　QPSK信号的表示式为




　　其中，A为载波振幅，wc为载波角频率，θi为载波相位。
　　若

，则QPSK信号的初始相位为0，若

，则QPSK信号的初始相位为π/4。
　　将式（1）写成




　　I（t），Q（t）为+1或-1。则式（3）即为QPSK的数学表达式。
　　QPSK信号的调制可分为相位选择法和调相法，本文采用调相法进行设计，其调制框图如下图1所示。




图1 QPSK调相法调制框图
　　图1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码序列。设二进制数分别为a和b。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和正交载波进行二相调制，两路输出叠加后就可以得到QPSK信号。
　　2 基于DSP Buildter的QPSK设计
　　DSP Builder可完成图形化的系统建模、设计、仿真、把设计软件下载到FPGA开发板上。它是一个系统级的开发工具，架构在多个软件之上，并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，最大程度的发挥了两种工具的优势。DSP Builder依赖MathWorks公司的数学分析工具Matlab／Simulink，以Simulink的Blockset出现，可以在Simulink中进行图形化设计和仿真，同时通过SignalCompiler可以把Matlab ／Simulink的设计文件（.mdl）转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件（.vhd），以及用于控制综合与编译的TCL脚本。而对后者的处理可以由FPGA／CPLD开发工具QuartusⅡ来完成。
　　研究采用QuartusII6.1、DSP Builder6.1和Madab Rb2006作为FPGA的设计及测试平台。因此，在设计的过程中可以很方便的调用DSP-Bbuilder和Simulink库中的图形模块来建立硬件模型，输入信号也可方便的调用Simulink模块。依据QPSK的基本原理，可以快速的建立QPSK模型。要完成QPSK的建模，首先打开MATLAB，在命令窗口输入“Simulink”进入图形化仿真建模环境，新建一个仿真模型。依照图1的原理图设计，建立模型如图2所示。




图2 QPSK调制系统的整体模型
　　图2中，由频率字、延时器、加法器和两个LUT组成正交信号发生器，产生两个正交的载波信号。随机信号发生模块产生随机信号，经过反相器形成数字基带信号，经过串并转换模块变为并行信号，再经过多路选择器模块输出+1和-1，然后和正交信号发生器产生的正交载波信号相乘，最后在加法器中进行相加实现QPSK调制。
　　3 系统仿真与硬件测试
　　3.1 系统仿真
　　完成整个设计后，设置仿真时间，开始仿真。设置Simulik的仿真停止时间为2 000，仿真步进设为自动。仿真结果如图3，图中前两栏为正交波信号，最后一栏为QPSK已调信号。





图3 QPSK仿真波形
　　3.2 硬件测试
　　在Simulink中完成仿真验证后，需要把设计转到硬件上去实现。这是整个DSP Builder设计流程中最为关键的一步，可获得对特定FIGA芯片的VHDL代码。双击QPSK模型中的SignalCompiler，点击分析按钮，检查模型无错误后，打开SignalCompiler窗口，在图中设置好相应项后，依次点击1、2、3 3个按钮，逐项执行VHDL文件转换、综合、适配，即可将。mdl文件转换为.vhd文件。同时，在工作目录生成的文件中有tb_qpsk.tcl和tb_qpsk.v文件.tb_qpsk.v文件是在QuartusII中要用到的工程文件，tb_qpsk.tcl文件是要在Modesim进行RTL级仿真用到的测试代码。仿真完成后，在QuartusII中指定器件管脚、进行编译、下载。最后进行硬件的下载，连接好FPGA开发板即可。本文采用的硬件是Cyclone系列芯片EP2C35F672C6N。图4是在QuartusII中QPSK的已调波形，与仿真波形基本一致。由图可以看出，有4个相位跳变点，正确地反映了QPSK调制的特点。




图4 QPSK的已调波形
　　4 结论
　　本文利用了现代DSP技术的功能，在Simulink的环境下实现了QPSK的建模，给出了具体模型，从而避免了VHDL程序的编制，缩短了周期，提高了效率。采用该法，极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。仿真结果和硬件实现都验证了该方案的正确性。