QPSK调制信号

关键词： 正交 方式 调制 信号

QPSK调制信号（精选七篇）

QPSK调制信号 篇1

关键词：正交相移键控QPSK,正交频分复用OFDM,UWB信号,MATLAB仿真

1 多频带时频信号系统分析

1.1 UMB技术的简介

近年来, 超宽带 (UWB) 技术在无线通信领域的应用引起了人们广泛的关注。相对于传统的窄带无线通信系统, UWB无线通信系统具有高空间频谱效率、高测距精度、低载获概率、抗多径衰落、不干扰现有通信系统、低功耗、低成本等诸多优点和潜力。这些优点使UWB通信成为中短距离无线网络理想的传输/接入技术之一。然而, 为了解决在密集多径环境中提供高数据率、多用户同时通信以及与窄带通信系统共存等问题, UWB无线网络系统仍有大量的课题有待研究分析, 尤其在其传输技术方面。就UWB传输技术方案而言, 目前存在两大主流:一是多带正交频分复用 (MB-OFDM) 技术方案;二是直接序列码分多址 (DS-CDMA) 技术方案。但是在高速无线数据传输方面, OFDM技术方案具有一定的优势, 并获得越来越多的支持, 也是本文研究的重点。

1.2 OFDM的基本原理

正交频分复用OFDM (Orthogonal Freq uency Division Multiplex) 是一种无线环境下的高速传输技术, 为多载波调制方式。通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是在频域内将所给信道分成许多正交子信道, 在每个子信道上使用一个子载波进行调制, 且各个子载波并行传输。OFDM特别适合于存在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。能有效对抗多径效应, 消除干扰, 对抗频率选择性衰落, 信道利用率高。由于子载波的频谱相互重叠, 因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。

OFDM具体的实现方式为:在发射端, 首先对比特流进行QPSK调制, 然后依次经过串并变换和IFFT变换, 再将并行数据转化为串行数据, 加上保护间隔 (又称“循环前缀”) , 形成OFDM码元。在组帧时, 须加入同步序列和信道估计序列, 以便接收端进行突发检测、同步和信道估计, 最后输出正交的基带信号, 其核心技术便在于发射端的QPSK调制技术。

1.3 QPSK的基本原理

四相绝对相移键控可简记为4PSK或QPSK。根据QPSK调制的概念, 在一个四进制码元周期TB内, QPSK有四种可能信号形式。表示为:

载波振幅为1, 载波频率fc是码元传输速率RB的整数倍。QPSK信号可以看成是对两个正交载波进行双边带调制后所得两路2ASK信号的叠加, 因此, 功率谱取决于两路基带信号功率谱。

如图1所示, 将相邻的二进制信号同时产生载波相互正交的2PSK信号, 然后再将这两路信号相加, 合成为QPSK信号。

2 多频带超宽带系统的仿真与分析

2.1 QPSK调制的仿真与分析

参数设置为:时间t为一秒, 采样点数为500, 载波频率为30Hz, 仿真波形如图2所示:

从图中可以看出:调制后QPSK信号分为两个部分:实部和虚部, 输入的二进制源信号为 (1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 01 1 0 1) , 根据前面的QPSK调制的原理, 当输入信号为“0 0”时, 输出的波形应该是从0处开始, 输入信号为“0 1”时, 输出波形应该从 处开始, 输入信号为“1 0”时, 输出波形应该从 处开始, 输入信号为“1 1”时, 输出波形从 处开始。根据以上原理, 两个部分相加后的QPSK信号如图3所示:

2.2 整体系统的仿真与分析

多频带超宽带系统仿真时域波形如图4所示:

中心频率 (fp) 为1GHz;抽样频率 (fc) 为50GHz;信息长度 (T0) 为242.4ns;循环前缀 (TP) 为60.6ns;保护间隔 (TG) 为70.1ns;矩形脉冲响应振幅 (A) 为1;子载波数 (N) 为128。具体的符号模型如图5所示:

中心频率 (fp) 为3.432GHz;抽样频率 (fc) 为50GHz;信息长度 (T0) 为242.4ns;循环前缀 (TP) 为60.6ns;保护间隔 (TG) 为70.1ns;矩形脉冲响应振幅 (A) 为1;子载波数 (N) 为128。频谱图如图6所示:

中心频率 (fp) 为3.432GHz;抽样频率 (fc) 为50GHz;信息长度 (T0) 为242.4ns;循环前缀 (TP) 为60.6ns;保护间隔 (TG) 为70.1ns;矩形脉冲响应振幅 (A) 为1;子载波数 (N) 为128。频谱图如图7所示:

中心频率 (fp) 为1GHz;抽样频率 (fc) 为50GHz;信息长度 (T0) 为100ns;循环前缀 (TP) 为0ns;保护间隔 (TG) 为50ns;矩形脉冲响应振幅 (A) 为1;子载波数 (N) 为64。

频谱图如图8所示:

中心频率 (fp) 为1GHz;抽样频率 (fc) 为50GHz;信息长度 (T0) 为100ns;循环前缀 (TP) 为0ns;保护间隔 (TG) 为50ns;矩形脉冲响应振幅 (A) 为1;子载波数 (N) 为32。

频谱图如图9所示:

从以上时域和频域的波形来看, 在时域上各子信道之间互相正交, 在频域上各子信道之间互相重叠。随着子载波数的增加, 并没有影响到信号的传输, 可见抗多径干扰和频率选择性衰落能力强, 大大提高了传输速率。

3 总结

多频带正交超宽带技术是UWB技术的一种技术实现方案。与传统的脉冲UWB系统相比, 具有系统容量大、抗多径干扰能力强、信道利用率高等优点。该系统通过插入循环前缀, 可以有效降低ISI和ICI, 解决系统中时间和载波同步问题。通过增加子载波数 (即带宽) , 达到在相同时间里的更多符号的传输。

参考文献

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[2]葛利嘉, 朱林, 等译.超宽带无线电基础[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[3]Benedetto G M, Giancola G.Understanding Ultra wide Band Radio Fundamentals.Prentice Hall PTR, 2004:26-72.

[4]王晓英, 荣思远.一种多载波OFDM-UWB无线通信系统[J].电视技术学报, 2006, (07) .

QPSK调制解调技术 篇2

关键词：QPSK,调相法,相位选择,相干解调

0 引言

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 是一种数字调制方式, 它具有较高的调制效率, 较强的抗干扰性, 要求传送途径的信噪比低, 在电路上实现较为简单, 是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式。由于它具有一系列独特的优点, 因此被广泛应用于数字微波通信系统、移动通信系统、卫星通信系统及有线电视系统中, 已经成为现代通信中的一种十分重要的调制解调方式。

1 QPSK概述

1.1 QPSK简介

数字相位调制或相移键控 (-PSK) 与频率调制十分相似, 但它的实现不是通过改变发送载波的频率而是相位, 不同相位代表的是不同的数据。为提高信道频带利用率, 在BPSK (二相相移键控) 的基础上发展了多进制相移键控 (MPSK) , 它具有恒包络特性, 如4PSK (M=4) 、8PSK (M=8) 、16PSK (M=16) 等。其中4PSK为四相相移键控, 它由两个载波相互正交的2PSK组合而成, 也称为QPSK (正交相移键控) 。

1.2 QPSK基本原理

它是用载波的四种不同的相位来表征输入的数字信息, 四种不同的相位代表了四种不同的数字信息, 它规定了四种载波相位, 分别为45°、135°、225°和315°, 由于调制器输入的数据是二进制数字序列, 因此要先对输入的二进制数字序列进行分组, 把它转换为四进制数据, 使之能和四进制的载波相位配合起来。也就是说需将二进制数字序列中每两个比特编为一组, 每一组都表示一个四进制码元, 可有四种组合, 即00, 01, 10, 11, 再用载波的四种不同的相位分别表示它们。每个四进制码元又称为双比特码元, 每一个双比特码元都是由两位二进制信息比特组成, 它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输两个信息比特, 这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。

我们用A表示组成双比特码元的前一个信息比特, 用B表示组成双比特码元的后一个信息比特, 并按照格雷码排列, 以此来达到提高传输可靠性的目的。按照国际统一标准, 双比特码元与载波相位的对应关系有A方式和B方式两种, 它们的对应关系如表1所示。

2 QPSK的调制

QPSK调制信号是抑制载波信号, 无法用常规的锁相环和窄带滤波器直接提取参数, QPSK调制可用两种方法实现, 即调相法和相位选择法。

2.1 调相法产生QPSK信号

用调相法产生B方式的QPSK信号原理框图如图2所示:

该调制方式的工作原理是:输入的二进制数字序列经串并转换器后, 将串行数据转换为两路并行的双比特码流, 此时的码元宽度是串行时码元宽度的两倍, 码脉冲的展宽, 可能会导致信道传输带宽要求下降, 在信道带宽相同时, 采用QPSK传输比采用2PSK传输信道利用率提高了一倍。单极性码元经单/双极性变换, 得到双极性码元后再与载波相乘, 完成二进制相位调制。两路信号经过叠加, 就得到了B方式的QPSK信号。同理, 只需把载波相移π/4后再与调制信号相乘即可得到A方式的QPSK信号。

2.2 用相位法选择法产生QPSK信号

该调制方式的工作原理是:输入的二进制数字序列经串并转换器后, 输出两路并行的双比特码流。四相载波发生器输入调相所需的四种不同相位的载波到逻辑选相电路中, 逻辑选相电路按照串/并转换器输出的双比特码元的不同输出相对应的载波, 再经过带通滤波器输出产生的QPSK信号。

3 QPSK的解调

由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK的合成, 因此这里我们采用与2PSK信号类似的相干解调方法对B方式的QPSK信号的进行相干解调。该解调方式的工作原理是:两个相互正交的相干信号分别对两个二相信号进行相干解调 (低通滤波器作用是滤掉高频成分) , 再通过抽样判决器, 最后经并/串变换器将解调后的并行数据变换为串行数据, 即可恢复原始数字信息。

4 结论

进入21世纪, 我国科技飞速发展, 3G技术出现在人们的日常生活中, 各大运营商都在大力发展自己的业务, 在这样的背景下, 对通信行业的要求越来越高。好的调制解调方法可以提高信息传输速率、信息质量和信息安全, QPSK技术的出现, 解决了许多技术上的问题。它是一种应用成熟的调制技术, 符合在功率、频谱、抗非线性等多种性能上的综合要求。同时也满足各种调制解调环境所需要的调制特性需求, 广泛应用于高速数据传输之中。

参考文献

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[3]毛京丽、李文海:数据通信原理, 北京邮电大学出版社, 2008, 6:62-65.

[4]张会生:现代通信系统原理, 北京高等教育出版社, 2004, 7:139-141.

QPSK调制信号 篇3

尤其在数字微波与卫星通信系统中, 由于通信信道的非线性和AM/PM效应, 要求调制后的波形尽量具有等幅包络的结构特点;并且选择尽可能少的占用射频带宽, 而又能高效利用有限频带资源且抗衰落和抗干扰性能强的调制技术;还要使调制信号的旁瓣尽可能的小, 以减少相邻通道之间的干扰。因此, 在中容量数字微波和卫星通信系统中大多采用QPSK的调制方式[1]。

本文以实际应用为出发点, 根据QPSK调制解调原理, 用C++在VC6.0的编译环境下, 仿真实现了数字微波与卫星通信系统中使用的QPSK调制解调器, 最终的仿真结果较好地符合了理论要求。

1 QPSK调制解调原理

在现代数字微波和卫星通信中, 为了提高信息的传输速率, 往往利用载波的一种相位去携带一组二进制信息码。相位键控 (PSK) 调制是一种角度调制, 通过保持载波的幅度不变, 改变载波的相位来实现, 除了要求输入的信号是数字信号且输出的相位受到限制以外, 与传统的相位调制一样。

四相调制既可以表示为QPSK, 也可以表示为4PSK, 它是用载波的四种不同相位与两位二进制信息码的组合 (00, 01, 11, 10) 对应来表征传送的数据信息。在QPSK调制中, 首先对输入的二进制数据按两位数字编成一组, 构成双比特码元。其组合共有22种, 所以可用M=22不同相位或相位差来表示。产生QPSK信号的电路很多, 常见的有正交调制法和相位选择法, 其中正交调制法应用的最为普遍[2]。正交调制法产生QPSK信号的原理图如图1 (a) 所示。

解调是调制的逆过程, 解调过程取决于所采用的调制方式。但是对于一种给定类型的已调信号, 解调方法并不是唯一的。几乎所有的解调器都可以分成两类, 相干解调和非相干解调。相干解调是利用本地的载波信号进行解调, 而非相干解调则不需要本地载波信号。在数字通信中, 解调和检测经常可以互用, 其中解调侧重于波形的恢复, 检测侧重于码元的判决。在本文中QPSK信号可用两路相干解调器分别进行解调, 如图1 (b) 所示, 上、下两个支路分别是2PSK信号解调器, 用来检测双比特码元中的A和B码元, 然后通过并/串变换电路还原为串行数据信息。

2 仿真实现

2.1 QPSK调制解调器仿真模型

在本文C++仿真实现的是在不同信噪比情况下, QPSK调制解调的性能, 具体参数设置如表1所示。QPSK调制解调器的仿真模型如图2所示, 首先使用一个产生范围在 (0, 1) 的均匀随机数的随机数发生器, 产生一个等概率出现的四进制符号序列 (信息比特对) :00, 01, 11, 10。再将该序列映射到对应的信号向量, 映射关系如表2所示。本次仿真采用B方式映射。

利用高斯随机数发生器产生均值都为0, 方差都是σ2的加性噪声分量nc和ns。检测器将观测到随机向量r=si+n, 同时计算r在四种可能信号{sm}上的投影。判决结果就是对应于最大投影的信号向量。将判决结果与发送信号向量进行比较, 最后用差错计数器对检测器产生的符号差错进行计数[3]。

2.2 均匀随机数发生器和高斯随机数发生器的C++程序实现

仿真时, 关键是要产生随机变量r, 即随机数。它是信号相关器的输出采样信号和检测器的输入信号。

用C++程序实现均匀随机数发生器时, 首先利用乘同余算法及Schrage算法得到随机数r, 且r~U[0, 1], 这样产生了满足要求的均匀随机数发生器[4]。需要注意的是rand () 产生的随机数序列都是一样的, 为了避免上述情况的发生我们通常用srand ( (unsigned) time (0) ) 或者srand ( (unsigned) time (NULL) ) 来产生种子, 如果仍然觉得时间间隔太小, 可以在 (unsigned) time (0) 或者 (unsigned) time (NULL) 后面乘上某个合适的整数。例如, srand ( (unsigned) time (NULL) *10) 。

另外, 关于time_t time (0) :time_t被定义为长整型, 它返回从1970年1月1日零时零分零秒到目前为止所经过的时间, 单位为秒。

高斯随机数发生器的C++程序实现。因为均匀随机数发生器已经生成了均值为0, 方差为1的随机数, 所以只需将均匀随机数发生器生成的序列乘以白噪声的方差即得高斯白噪声。

2.3 QPSK调制器的C++程序实现

根据正交调制法原理, 在C++程序中, 首先对均匀随机数发生器产生的 (0, 1) 内的二进制比特流进行判断, 如果产生的随机数在 (0, 0.5) 内, 则为0, 否则就是1。再由相邻的两个二进制比特流组成一组双比特码元, 然后根据表2所示的映射关系, 将其对应成载波相位。C++实现程序如下:

2.4 QPSK解调器的C++程序实现

解调完成的功能其实是检测和判决。检测器将接收到的信号向量投射到四个可能传输的信号向量上, 并判决。若对应于最大投影的向量就是传输的QPSK信号向量, C++实现程序如下:

2.5 差错计数器的C++程序实现

将解调后的信号与发送的QPSK信号进行比较, 统计差错个数并计算误码率和误符号率。C++实现程序如下:

2.6 仿真结果

运行程序, 将不同信噪比情况下计算出的误码率和误符号率输出, 如图3所示。可以看出, 随着信噪比的增大, 误码率和误符号率有了明显的下降, 这与通信系统理论是相符的。

3 结束语

本文根据QPSK调制解调原理, 在C++的运行环境中很好地仿真实现了QPSK调制解调器在数字微波与卫星通信系统中的应用, 最终的效果较好地符合了理论要求。通过仿真, 可以更好地了解QPSK调制解调器的原理, 并为在实际工程中硬件的研制提供了一定的参考作用。

摘要：以实际工程应用为出发点, 根据QPSK调制解调原理, 用C++在vc6.0的编译环境下, 仿真实现了数字微波与卫星通信系统中使用的QPSK调制解调器, 最终的仿真结果较好地符合了理论要求。

关键词：数字微波与卫星通信,QPSK,仿真,调制解调器

参考文献

[1]王立娜, 王斌.卫星通信系统[M].第2版.北京:国防工业出版社, 2014.

[2]姚军, 李白萍.数字微波与卫星通信[M].北京:北京邮电大学出版社, 2011.

[3]季飞, 傅娟.通信系统建模与仿真[M].北京:电子工业出版社, 2007.

QPSK调制信号 篇4

目前，针对北斗导航系统模拟信号源的研究较少，可参考GPS和GLONASS模拟信号源的研究，分析各个导航系统之间的差别，找到合适的研究方案。文献[2]分析了GLONASS信号的结构特点，研究了复杂环境下GLONASS导航信号的产生，文献[3]针对GPS信号模拟源的算法进行研究，并通过FPGA实现模拟源的产生，文献[4]分析了北斗卫星导航B1频段信号的结构，并用Simulink平台实现了信号模拟。

北斗导航系统已于2011年12月进入试运行阶段，并于2012年12月公布了空间信号接口控制文件[5](Interface Control Document,ICD)。本文针对ICD文件中北斗B1频段的QPSK调制信号进行结构分析，采用软件无线电的方法来研究QPSK信号的调制解调，分析QPSK信号调制解调的原理，利用FPGA仿真实现QPSK信号的调制解调，同时在射频输出端观察调制信号的功率密度谱。

1 北斗B1频段信号特征

北斗B1频段[6]信号由两个支路的“测距码+导航电文”正交调制在载波上构成。信号表达式如下

式中，j表示卫星编号;AI、AQ分别表示调制于B1频段载波同相、正交相支路的测距码振幅;CI、CQ分别表示同相、正交相支路的测距码;DI、DQ分别表示同相、正交相支路测距码上调制的数据码;f表示B1频段载波频率;φI、φQ分别表示B1频段载波同相、正交相支路的初相。

根据北斗B1频段信号QPSK调制方式的特点以及上式所示的信号结构，可知北斗B1频段每颗卫星均有一对独特的测距码，两者彼此不相关且正交，接收到同一颗卫星信号的两个支路受各种因素影响所导致的码延迟、多普勒频移等均相同。

2 北斗信号的QPSK调制

在“北斗二号”系统中，采用正交相移键控，QPSK,QPSK调制技术的核心思想是两个载波正交BPSK信号的合成，即将一个比特流的每一个四进制码元用两个二进制码元的组合来表示，两个二进制码元中的前一个码元用I表示，后一个码元用Q表示。由于在一个调制符号中传输2 Byte,QPSK调制比BPSK调制的带宽效率高一倍。载波的相位为4个间隔相等的值:π/4,3π/4,5π/4,7π/4。这种调制方式使同一载波每次可传输2 Byte信息，从而使载波的频带利用率比BPSK提高了1倍，同时抗干扰性更强。

对QPSK调制后的数据进行相关运算，选取50位数据，通过仿真结果可以发现，加入QPSK调制技术后，原测距码的自相关曲线发生了变化[7]。在QPSK调制下的测距码，除了存在一个明显的高峰外，还具有两个比较明显的次高峰，分别位于靠近主峰的左右两侧。

3 北斗B1频段信号的模拟

北斗B1频段数字信号生成首先按照固定的采样时间间隔，也就是固定的采样频率(采样频率取1 561.098 MHz)，加入卫星的初始相位和多普勒频移，生成中频载波信号;然后将经过QPSK调制方式调制的测距码和北斗导航电文调制到载波上叠加。如果是MEO/IGSO的卫星需要在导航电文中在调制20位的NH码。每颗卫星的测距码和导航电文都不同，因此应该对每颗卫星的信号进行叠加，接着对多卫星信号的每颗卫星信号加入预设的强度，可设定的高斯白噪声，最后设定好模拟时长，将信号数据通过工作站储存模块导入到工作站保存。

4 FPGA仿真实现QPSK调制解调

QPSK调制对输入数据流经内插、成形滤波和并串转换后，再经正交调制后即得到已调QPSK信号。内插有助于对基带信号进行波形成形，可以通过重复现存采样点或者插入零脉冲来实现，成形滤波器的作用是消除码间干扰和频谱扩散。QPSK解调对基带信号进行抽取、CIC滤波和Costas环载波同步后，再经过解调得到输出数据。采用多级CIC滤波器级联来实现较大的阻带衰减，Costas环来估计和校正解调过程中的多普勒频移[8,9]。在整个设计方案中，数字调制解调算法在FPGA中完成。FPGA硬件框图如图4所示，系统原理方案如图5所示。

图5中CIC滤波器即级联积分器梳状(Cascade Integrator Comb,CIC)滤波器，滤波器的冲击响应如下形式

式中，D为CIC滤波器的阶数;频率响应为:;其中，幅频响应为

调制部分，数据通过串口输入，产生宽度为8 bit的并行数据流，然后分成I,Q两路数据流，经过补零内插，成形滤波和数据位截短后，通过并串转换，再通过DDS模块生成基带QPSK调制信号。调制输出数据的速率是128 kbit·s-1，而实现DDS的器件AD9857中设定输入数据速率是1 Mbit·s-1，为使两者速率匹配，设计中采用内插方法来实现。在内插模块的设计中，采用最简单的实现方法，即在数据之间插零。零的个数N由内插前后数据的速率决定，设计中N=7。内插模块通过数据锁存器和计数器实现。在内插模块设计中，由于采用了“插零”处理，导致码间干扰和带外辐射增大，为减小这些对信号解调的影响，设计采用成型滤波器。并串转换模块通过4级锁位寄存器实现，并行16位的输入数据按照并行4位的格式串行输入到DDS。

在解调部分，通过NCO进行数字下变频，经过抽取，CIC滤波器进行滤波，Costas环进行载波同步，最后解调处数据，通过串口输出显示。数字下变频模块主要由NCO和混频器组成。混频器为8位乘法器，采用Altera提供的宏功能模块LPM＿MULT，将数据锁存模块输出的8位数据与分别NCO输出的正交载波进行相乘，乘积结果为一有符号的16位数据。为防止乘法器输出数据在后面模块运算处理中发生溢出，同样在设计中对数据进行了截短处理。CIC滤波器采用三级8倍抽取的积分滤波器与梳状滤波器并联。Costas环来估计和校正解调过程中的多普勒频移。

在测试部分，串口输入数据是1234FA42342343，串口输出12 34 FA 42 34 23 43，说明了QPSK调制解调系统的正确性。同时，通过频谱仪对设计的QPSK调制信号进行观察，FPGA开发板射频端口输出1 561.020 MHz的射频信号，证明生成的QPSK调制信号在频率特性、频谱特性上符合系统设计要求，从而证明了调制信号的正确性，功率密度谱如图8所示。

5结束语

北斗卫星导航系统，特别是B1频段信号，是未来民用的主要信号，因此，频段信号成为研究热点，而市场对北斗接收机的需求也会越来越多。为了测试北斗卫星导航接收机的性能，则需要模拟北斗卫星导航系统在各种环境下的真实卫星信号。本文针对北斗信号QPSK调制信号的结构特点，分析了QPSK调制解调的原理，并结合软件无线电的方法，通过FPGA验证了系统的可行性和正确性。

摘要：为研制北斗卫星导航模拟信号源,设计实现了北斗QPSK信号调制器。文中在分析了北斗卫星导航系统B1频段信号的正交相移键控调制信号的基础上,基于软件无线电的思想,在FPGA硬件平台上实现了QPSK信号调制器,通过功率谱测试,QPSK解调和简单串口信息传输,验证了调制解调硬件单元的正确性。

关键词：北斗,QPSK,调制解调,FPGA,Stratix&,nbsp,Ⅱ

参考文献

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QPSK调制信号 篇5

关键词：System Generator,QPSK,数字调制

随着软件无线电技术的飞速发展与FPGA器件的广泛应用, 人们越来越重视QPSK调制器的软件实现方法。在设计信号处理系统时, 以FPGA为核心器件, 开发软件使用XILINX System Generator for DSP, 大大减少了设计者编写硬件描述语言代码的工作量。它的抽象算法, 对信号处理系统建立起到了关键作用, 实现了XILINX FPGA。算法的建模通过Matlab/Simulink实现, 工程的综合和仿真通过ISE完成, 抽象的算法最终转变为相应的硬件系统, 位流文件也可直接由System Generator生成, 并下载到FPGA[1]。

文中介绍了QPSK数字调制系统的数学模型, 使用Simulink为其创建相应的模型, 最终得到了较为理想的仿真波形图。设计的QPSK调制器为基于SFF SDR (Small Form Factor Software-defined Radio) 开发平台的设计提供了依据。

1 QPSK调制的原理

常用的多相制信号的产生方法主要有直接调相法、脉冲插入法、相位选择法等[2]。文中采用直接调相法来产生QPSK调相信号, 其原理框图如图1所示, 它属于π/4体系。两位二进制数作为一组输入, 习惯上用A表示前一位, B来表示后一位, 经串/并变换后得到的并行码宽度为原来的两倍。然后进行极性变换, 把单极性码变成双极性码 (0→-1, 1→+1) , 再分别和两个互为正交关系的载波信号通过乘法器进行乘法运算, 得到的两路输出信号是双边带调制信号, 它们是正交关系, 相位与A、B码元有关, 将两路输出叠加, 即得如图1所示的四相移相信号, 其相位编码逻辑关系如表1所列[3]。

2 QPSK调制器的建模

根据QPSK调制信号产生的原理, 用System Generator的功能模块在Simulink环境下搭建的QPSK调制器模型如图2所示, 参数设置如表2所示。

在调制模型中, Bernoulli Binary Generator模块等概率产生二进制信号 (0、1) , 采样时间为1 s经过Serial to Parallel模块分为I、Q两路[4];采样时间2 s, 由Slice模块分离出两路信号[5], 每路信号的的幅度乘以2, 然后向下平移1个单位, 就变成了双极性信号 (-1, 1) 。DDS v5_0模块用来产生两路正交的载波[6], 分别对I、Q两路信号进行调制, 经过AddSub模块, 叠加后就是QPSK调制信号。

3 仿真结果及分析

仿真在Simulink6.6、System Generator9.2.01i、Xilinx ISE 9.2i的平台上进行。仿真结果如图3所示。

在图3中, (a) QPSK调制码元, (b) I路调制码元, (c) Q路调制码元, (d) QPSK调制波形, (e) I路调制波形, (f) Q路调制波形。

由仿真结果看, 信号源输入的二进制数据为:10110111000110110000, I路数据为*110100110, Q路数据为*011101010, *代表模块的初值, I、Q两路分别延时了1个采样时间单位 (2 s) 。在I支路中:1代表0相位, 0代表π相位, 在Q支路中:1代表$\frac{\text{π}}{2}$相位, 0代表$-\frac{\text{π}}{2}$相位, 合成相位为:11代表$\frac{\text{π}}{4},10$代表$-\frac{\text{π}}{4},00$代表$-\frac{3\text{π}}{4},01$代表$\frac{3\text{π}}{4}(\frac{\text{π}}{4}$体系) , 从仿真波形上看, 符合调制原理。

4 结束语

以Matlab/Simulink为仿真工具, System Generator在Simulink中可以看作Simulink的工具包, 它可以自动地把设计转换成可靠的、可综合的和有效的硬件实现。本调制器只需修改参数将Q支路去掉, 就可以设计成BPSK调制器, 也可以加上差分编码模块设计成DQPSK调制器。根据实际使用情况, 若需要进行信道编码, 则只需要添加相应的信道编码模块即可实现。

参考文献

[1]纪志成.FPGA数字信号处理设计教程-System Genera-tor入门与提高[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.

[2]郑希.基于DSP Builder的OQPSK调制器设计及FPGA实现[J].信息化纵横, 2009 (7) :39-40.

[3]樊昌信.通信原理[M].5版.北京:国防工业出版社, 2001.

[4]Xilinx.Inc.System generator for DSP getting started guide[R].USA:Xilinx.Inc, 2008.

[5]Xilinx.Inc.System generator for DSP reference guide[R].USA:Xilinx.Inc, 2009.

QPSK调制信号 篇6

本产品采用了先进的数字信号处理技术, 完全符合DVB-S标准, 接收端可直接用数字卫星接收机进行接收。它不但能取得较高的频谱利用率, 有很强的抗干扰性和较高的性能价格比, 而且和模拟FM微波设备也能很好的兼容。QPSK数字电视调制器在对数据流的处理上应用了能量扩散的随机化处理、RS编码、卷积交织、收缩卷积编码、调制前的基带成形处理等, 保证了数据的传输性能。可以进行原有的电视微波改造, 用30M的带宽传送5至8套能达到DVD图象效果的节目。也可以用调频微波的价格, 达到MMDS的效果, 实现全向发射。对数字信号的加密, 能保证图象绝无任何损伤。

2 正确的操作与使用

QPSK数字电视调制器面板按键的作用

↑键用于发射状态与接收状态显示的切换及参数修改时数字的增加, 按一下加1;↓键用于发射状态与接收状态显示的切换及参数修改时数字的减小, 按一下减1;←键用于数据修改时光标的左移, 按一下左移一格;→键用于数据修改时光标的右移按一下右移一格;ESC键取消对数据的修改;OK键确定对数据的修改;SET键与其它键配合使用可对机器的数据进行修改;*键与其它键配合用于开锁。

2.1 开机

打开电源开关, 液晶显示屏显示:

其中XXXX是机器版本号, 此时机器内部正在进行上电配置, 配置时间约为8秒钟。

随后液晶屏显示:

其中ASI显示的是实际有效速率, 空包自动删除, 当输入的有效速率大于设定的输出速率时ASI后面会显示ERR, SF显示的是根据本机发射的速率所计算出的符号率, 7/8表示内码编码率, TS表示发射的速率, LO表示的是发射的频率, B表示输入通道选择.LOCK表示已锁定。机器工作已进入正常状态。一般情况下机器在配置完成后一分钟内就能进入锁定状态, 如果超过—分钟尚未进入锁定状态, 否则可能是所接负载匹配不好, 反射太大 (本机的自检是对输出信号进行解调解码后与原信号进行对比实现的) 或是机器内部有问题。

2.2 开锁

为了防止数据被误修改, 机器在配置完成后键盘和自动进入锁住状态。若需要对机器参数进行修改, 则同时按住“↑”“↓”“*”“SET”四个键, 键盘锁即被打开。一旦修改完成退出后, 键盘又会自动锁上。进入修改状态后, 如果两分钟之内不做任何操作, 键盘也会自动锁上。

2.3 参数的设置

因为MMDS采用的频段给了4G通讯, 内蒙古阿盟电视发射台为了解决城区边缘有线到不了的地方和直播卫星也无法接收广播电视节目的居民, 能收听收看到广播电视节目, 广电工程技术人员利用MMDS的前端改造成MUDS。MUDS就是多路分米波数字电视无线覆盖系统的简称, 占用频段470MHz-790MHz, 在国家指配的广播电视专用频带UHF内, 采用的频率为660MHz, 符号率为44644, 所以使用MKQ-630型号QPSK数字电视调制器的内码编码率是7/8, 发射频率是0660MHz, 符号率是44644, 发射速率是72.OM, 输入通道是A。

发射频率的设置:

先开锁, 机器进入参数设置状态, 用“←”“→”“↑”“↓”逐个修改数字的值。如果想保留修改则按“OK”键退出, 如果想取消修改则按“ESC”键退出。

例如:原来内码编码率是7/8, 发射频率是1300MHz, 发射速率是30.OM, 输入通道是B, 现在想发射频率把改为0660

使机器进入参数设置状态, 此时液晶屏显示:

用“←”“→”将光标移到“1300”上, 用“↑”“↓”将数字修改为“0660”, 按“OK”键确认修改并退出。

可按照类同的方法设置符号率为44644, 发射速率为72.OM, 输入通道为A。按“OK”键确认修改并退出。如果不修改按“ESC”键退出。

液晶屏显示:

TS 72.0 LO 0660 A LOCK调制器正常工作。

2.4 QPSK调制器的维护

QPSK调制器价格昂贵, 地位重要, 关系到千家万户数字电视节目的收视质量, 因此日常维护工作显得非常关键, 对QPSK调制器的维护需要依据以下规定:

(1) QPSK调制器的检查维护必须每天进行, 值班人员要经常巡机, 密切注意QPSK调制器前面板的指示灯以及显示屏, 发现问题及时处理, 如果自己处理不了, 应及时电话联系机房负责人及相关人员, 并详细记录。 (2) 要有专人负责, 维护责任人的落实是设备维护工作中的关键。维护责任人要熟练掌握QPSK调制器的输入、输出参数设置、网络设定。 (3) 规定周、月、季、年检及重要播出前的参数核对和维护记录, 做到维护工作要人人有责。 (4) 应建立详细的设备维护档案。内容包括:购买时间、生产厂家、产品型号、使用时间、所传节目、传输频道等。每次维护保养后要进行详细记录。

2.5 使用时的安全注意事项

QPSK调制信号 篇7

为适应现代通信系统设计全数字化的发展趋势, 结合当今FPGA (Field Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列) 的广泛应用和DDS (Direct Digital Frequency Synthesis, 直接数字频率合成) 技术的迅速发展, 笔者提出了一种基于DDS技术、以FPGA为主要硬件载体的全数字QPSK (Quaternary Phase Shift Keying, 四相相移键控) 调制器的实现方案。

1QPSK基本概念

QPSK是在2PSK (二相调相) 的基础上发展而来的一种多进制相位调制方式, 利用载波的4种不同相位表征传送数字信息。在QPSK调制中, 首先按二位数字将输入的二进制数据编成1组, 以此构成双比特码元, 其组合共有22种, 即有22种状态, 故可用M=22种相位或相位差表示。这里M=22=4, 故称为四相调相。

2DDS技术

DDS技术是一种从相位概念出发直接合成所需波形的新的频率合成技术, 其理论依据是时域抽样定理, 即一个频带限制在 (0, fc) 范围内的时间信号f (t) , 如果以Tc=1/ (2fc) 时间间隔对其进行等间隔抽样, 则信号将由所得到的抽样值完全地确定。DDS将一个采样信号通过一个理想的低通滤波器, 就得到原始的连续信号f (t) , 其工作原理如图1所示。

3全数字QPSK调制器的设计

全数字QPSK调制器设计完全在FPGA中实现, 采用DDS的核心技术——NCO (Numerically Controlled Oscillators, 数控振荡器) , 其结构如图2所示, 原理框图如图3所示。

全数字QPSK调制器的关键部分是调制控制电路。该电路的的设计完全基于FPGA, 并采用VHDL语言的“自顶向下”设计方法。该电路由5个模块组成, 包括2个分频电路、m序列产生器、串/并转换电路、相位累加与控制电路, 如图4所示。

图4中, 相位累加与控制电路根据双比特码元的不同, 对相位累加器赋予不同的累加初值 (即载波起始相位值) , 从而完成调制功能。在设计时, 为方便起见, 只对1个正弦波周期等间隔抽取了200个采样点, 即ROM中只存放了200个采样值, 相位大小值从0到199 (均为整数) 。双比特码元、载波相位以及相位累加器初值三者之间的对应关系如表1所示。

4软件仿真

通过设计全数字QPSK调制器的顶层文件及前仿真和后仿真, 得到其逻辑电路原理图, 如图5所示。

在QuartusⅡ下, 该调制器的功能仿真结果如图6所示。

图6中, clk为晶振时钟, load为m序列操作控制信号, reset为复位端, temp为相位累加变量, qout为已调波幅度输出。调制信号速率为4 kbps, 即m序列输入时钟 (clk1) 周期为1/4 kbps=250 μs, 则双比特码元宽度为500 μs;载波频率设为100 kHz, 频率控制字K=20, 根据K=2N (fout/fclk) 可计算出调制时钟频率为1 MHz, 即调制时钟周期为1 μs。

全数字QPSK调制器的时序仿真结果如图7所示。

5结语

本文设计的全数字QPSK调制器体积小、成本低、功耗低、集成度高、可软件升级、抗干扰能力强, 且容易实现。该全数字QPSK调制器也可应用于煤矿井下通信中, 方法是参考ADSL技术, 将普通电话线的频带划分为多个子信道, 每个子信道分别采用QPSK调制或QAM调制, 从而实现高速率、远距离的信息传输。这种多信道调制与多进制调制相结合的方式可以大大提高频谱的利用率。

参考文献

[1]金永刚, 李志强.一种全数字QPSK调制解调器实现方案[J].军事通信技术, 2003, 24 (4) :47~50.

[2]彭飞, 赵继勇.基于FPGA的全数字低中频QPSK调制解调器实现[J].通信与计算机, 2003 (9) :21~23.

[3]周润景, 杜玉.利用VHDL语言实现直接数字频率合成[J].内蒙古大学学报, 2004, 35 (4) :428~431.