QPSK中頻全數字解調器的研究與FPGA實現

張鈺磊，姜生瑞

（蘭州交通大學電子與信息工程學院, 甘肅蘭州 730070）

0 引言

隨著通信技術的飛速發展，模擬通信系統已在實際應用中逐漸消失，數字移動電話GSM、CDMA網絡系統已經取代了模擬蜂窩移動通信系統，數字電視廣播系統正在中國快速發展，模擬電視正處在被淘汰的邊緣。第三代移動通信系統（3G）、高清晰度電視（HDTV）和互聯網這些通信系統都采用的數字通信。

在無線通信中，QPSK調制方式因其具備高效率、低誤碼率、頻譜性能好等特點被廣泛應用于商業和軍事通信系統中。但是現在的數字通信系統并沒有實現全數字化。在傳統的通信系統中，從發射機調制器開始到接收機解調器，系統調制部分和解調部分所傳送的信號、采用的器件都是模擬的，只有信號處理部分是數字的。因此，對QPSK中頻全數字解調器的研究就具有劃時代的意義。

1 QPSK中頻全數字調制解調基本原理

1.1 QPSK調制系統

QPSK調制器的原理方框圖如圖1所示。輸入信號為串行的二進制信息，經過串并變換分成兩路序列，這兩路序列的速率都會減半。經過電平發生器產生雙極性電平信號I(t)和Q(t)，然后對cos(t)和sin(t)來進行調制，相加后即可得到QPSK信號。QPSK正交調制信號為：

圖1 QPSK調制器的原理方框圖

式中an，bn分別表示調制的二進制信息，ang( t) cos wct為同相分量， bng( t) sin wct為正交分量。

多相位數字調制通常表示為M進制相移鍵控[2]（MPSK）。在M進制相移鍵控信號中，M指的是M種不同的載波相位，對應M種持續時間為Ts的不同符號。與二進制調制2PSK相比，MPSK具有兩個特點[3]：

（1）同一碼元速率的傳輸系統，MPSK比2PSK信息傳輸速率高，正交相移鍵控(QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)是2PSK信息傳輸速率的2倍。

（2）同一信息速率的傳輸系統，MPSK比2PSK碼元速率低，由奈奎斯特定理知，MPSK比2PSK碼間干擾小。

在實際中，應用較多的是QPSK調制方式，也叫作四進制相移鍵控。

1.2 QPSK解調系統

中頻（Intermediate Frequency）按其在電路中的位置與作用來劃分時，中頻信號是指高頻信號經過變頻而獲得的一種信號。為了使放大器能夠穩定的工作和減小干擾。一般的接收機都要將高頻信號變為中頻信號。

QPSK正交解調器方框圖如圖2所示。全數字解調器[5]包括數字下變頻、匹配濾波器、載波同步和位同步這幾個主要模塊。全數字解調器的工作過程[6]為：接收到的中頻信號經過AD轉換器后為輸入信號，它與NCO產生的cos(t)和sin(t)信號混頻，下變頻解調出IQ兩路同相分量和正交分量， 經過低通濾波器濾除高頻分量，得到低頻信號。低頻信號通過匹配濾波器，由于匹配濾波器采用平方根升余弦函數，能夠平滑的濾波，同時這里的匹配濾波器和調制時的成型濾波器參數都相同，所以能保證碼元干擾降到最低。載波環主要完成載波同步的功能，從匹配濾波器輸出經過非線性變換檢測出載波頻率誤差，然后輸入到NCO進行調整。位定時主要完成位同步的功能，從匹配濾波器輸出經過非線性變換檢測出鑒相誤差，然后輸入到NCO進行調整。

圖2 QPSK正交解調方框圖

2 數字下變頻及匹配濾波器

2.1 數字下變頻及匹配濾波器的FPGA實現

數字下變頻模塊實現將中頻信號的頻帶搬移，解調出基帶信號。數字下變頻器的FPGA實現包括NCO模塊、數字混頻模塊、低通濾波器模塊，匹配濾波器由匹配濾波器模塊組成，這里和數字下變頻器一塊完成實現。

下變頻模塊及匹配濾波器模塊整體的FPGA實現框圖如圖3所示。

圖3 下變頻實現框圖

下變頻模塊的工作過程：

（l）控制信號：clk是系統工作的時鐘，經過分析后本文采用周期為50ns的時鐘信號。clken是時鐘使能信號，當為clken高電平時，模塊才能處于工作狀態。reset是系統復位信號，當為reset低電平時，該模塊停止工作，當reset為高電平時，則才開始工作；

（2）產生信號：調用 Quartus II 9.0中自帶的NCO的IP核，設置NCO的初始頻率控制字ph_in為2的30次方即1073741824，設置調頻接口輸入freq_in為0。其中，NCO相位累加器是32位，輸出數據取12位量化位數，截取相乘結果的16位。輸入信號DDC_in與NCO產生的余弦信號cos和正弦信號sin與進行混頻相乘，得到兩路數據 dataIl和dataQ1；

（3）低通濾波：調用低通濾波器的IP核，將MATLAB中用FDA工具仿真輸出的低通濾波器的參數導入到調用的IP核中，設置低通濾波器參數位寬是12位，輸入信號為16位。下變頻后輸出的數據dataIl和dataQ1在經過低通濾波器輸出數據dataI2和dataQ2；

4)匹配濾波：調用升余弦濾波器的IP核，設置升余弦濾波器輸入信號為16位，匹配濾波器輸出數據dataI3和dataQ3。

利用Quartus II 9.0自帶仿真工具對模塊進行綜合以及功能仿真之后，仿真結果如圖4所示。

2.2 數字下變頻及匹配濾波器的MATLAB仿真

數字下變頻模塊實現將頻率為20 MHz的中頻信號的頻帶搬移和濾波，生成一個基帶信號[7]。數控振蕩器NCO與輸入的中頻信號相乘得到IQ兩路同相分量和正交分量，要實現這個功能就要產生所需的頻率的正余弦波形。所以設置 NCO的工作時鐘為80 MHz，產生的正余弦信號頻率為20 MHz。如圖5為調制后頻率為20 MHz的IQ兩路信號，圖6為下變頻后匹配濾波器I路輸出的信號。

圖4 下變頻電路仿真波形

圖5 QPSK調制IQ路信號

圖6 QPSK匹配濾波I路輸出

3 仿真結果

3.1 解調電路仿真

在Quartus II里對解調電路完整仿真時，輸入相同的信號，得到的輸出結果與在MATLAB中仿真得到的結果相同，只是有部分的延遲，如圖7所示。MATLAB中解調后的信號為11010110100000……，從圖7可以看出，Quartus II中解調后的信號為11010110100000……解調的結果相同，從而驗證模塊設計的正確性。

3.2 誤碼率曲線

通過對QPSK電路仿真得到的誤碼率曲線與QPSK理論計算得到的誤碼率[8]曲線，如圖8所示。由圖8可以看出，在信噪比較小的情況下，電路仿真得到的誤碼率和理論的誤碼率性能沒有太大差別，但是隨著信噪比的提高，電路仿真得到的誤碼率和理論的誤碼率性能相比有所下降。本課題要求在信噪比為10 dB時，誤碼率達到10-3，顯然電路的設計能夠達到要求的性能指標。

圖7 解調仿真波形

圖8 解調誤碼率曲線

4 結論

本文完成了基于FPGA設計QPSK中頻全數字解調系統研究與FPGA實現。采用可編程邏輯器件CycloneⅡEP2C70F896C6N成功地實現了QPSK全數字解調的電路的設計，在Quartus II 9.0軟件中進行系統的仿真與驗證。通過比較Quartus II仿真結果和MATLAB仿真結果，解調出來的結果是一致的，這也說明了所設計的解調模塊是正確的。在信噪比為10dB時，誤碼率達到10-3，顯然電路的設計能夠達到要求的性能指標。

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