1、<p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1．1 研究背景</b></p><p>　　自1897年意大利科學(xué)家G.Marconi首次使用無線電波進(jìn)行信息傳輸并獲得成功后，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間中，在飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)的推動下，無線通信的理論和技術(shù)不斷取得進(jìn)步，今天，無線移動通信已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模商用并逐

2、漸成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚闹匾ㄐ欧绞街弧?lt;/p><p>　　隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展與應(yīng)用數(shù)字信號處理在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越重要。數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)。頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對基帶信號進(jìn)行調(diào)制，使其頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)念l帶上數(shù)字調(diào)制信號有稱為鍵控信號。在調(diào)制的過程中可用鍵控[1]的方法由基帶信號對載頻信號的振幅，頻率及相位進(jìn)行調(diào)制最基本的方法有三種：正交幅度調(diào)制

3、（QAM）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。</p><p>　　作為數(shù)字通信技術(shù)中重要組成部分的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。隨著當(dāng)代通信的飛速發(fā)展，通信體制的變化也日新月異，新的數(shù)字調(diào)制方式不斷涌現(xiàn)并且得到實(shí)際應(yīng)用[2]。目前的模擬調(diào)制方式有很多種，主要有AM、FM、SSB、DSB、CW等，而數(shù)字調(diào)制方式的種類更加繁多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、DPSK、 QPSK、QAM等

4、。如果產(chǎn)生每一種信號需要一個(gè)硬件電路甚至一個(gè)模塊，那么能產(chǎn)生幾種、十幾種通信信號的通信機(jī)的電路將相當(dāng)復(fù)雜，體積重量將會很大，而且要增加新的調(diào)制方式也是十分困難的。在眾多調(diào)制方式中，四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信號由于抗干擾能力強(qiáng)而得到了廣泛的應(yīng)用[3], [4]，具有較高的頻譜利用率和較好的誤碼性能，并且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度小，解調(diào)理論成熟，廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波、衛(wèi)星數(shù)字通信系統(tǒng)、有線電視的上

5、行傳輸、寬帶接入與移動通信等領(lǐng)域中[5]，并已成為新一代無線接入網(wǎng)物理層和B3G通信中使用的基本調(diào)制方式[6]?，F(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)是20世紀(jì)9年代發(fā)</p><p>　　數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號。調(diào)制過程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進(jìn)行調(diào)制。最基本的方法有3種：正交幅度調(diào)制(QAM)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PS

6、K)．根據(jù)所處理的基帶信號的進(jìn)制不同分為二進(jìn)制和多進(jìn)制調(diào)制（M進(jìn)制)。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與二進(jìn)制相比，其頻譜利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多進(jìn)制相移鍵控)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)制方式。本課題主要研究了基于FPGA的QPSK調(diào)制解調(diào)電路的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果。</p><p>　　1. 2 國內(nèi)外研究狀況及趨勢</p><p>　　1.2.1

7、數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　數(shù)字信號調(diào)制是用基帶數(shù)字信號控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號變換為頻帶數(shù)字信號的過程，數(shù)字信號的調(diào)制設(shè)備包括數(shù)字信號處理（編碼）單元和調(diào)制單元。</p><p>　　圖1.1 數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)框圖</p><p>　　首先將模擬信號數(shù)字化，然而數(shù)字信號序列進(jìn)行編碼碼流是不能或不適合直</p><p&g

8、t;　　接通過傳輸信道進(jìn)行傳輸?shù)?，必須?jīng)過某種處理，使之變成適合在規(guī)定信道中傳</p><p>　　輸?shù)男问?。在通信原理上，這種處理稱為信道編碼，一般包括擾碼，R-S編碼，卷</p><p>　　積交織，卷積編碼這幾部分；有關(guān)調(diào)制單元的調(diào)制類型的分類：</p><p>　?。?）按數(shù)據(jù)類型數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制兩種。　</p><p

9、>　　（2）按已調(diào)信號的結(jié)構(gòu)形式可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種。</p><p>　　（3）按數(shù)字調(diào)制方式分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。</p><p>　　數(shù)字通信解調(diào)設(shè)備的構(gòu)成如圖1.2所示，主要包括解調(diào)單元、信碼再生單元和譯碼單元。其中，載波同步和定時(shí)同步是解調(diào)器的2個(gè)核心單元，它們直接決定著解調(diào)器的誤碼性能。</p><p>　　圖1.2 數(shù)字通

10、信解調(diào)系統(tǒng)框圖</p><p>　　在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的解調(diào)單元都是用模擬處理方法和器件實(shí)現(xiàn)的。其中，共同之處在于使用了模擬濾波器、鑒相器（乘法器）和壓控振蕩器(VCO)。這種傳統(tǒng)的模擬解調(diào)單元電路體積大、形式復(fù)雜；調(diào)試周期長而且受人為因素影響大；器件內(nèi)部噪聲大，易受環(huán)境影響，可靠性差；因此，這種傳統(tǒng)的接收機(jī)不能完全發(fā)揮數(shù)字通信的優(yōu)勢，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的最佳接收。解調(diào)單元的載波同步和定時(shí)同步將完全

11、在數(shù)字部分完成，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位置決定了接收機(jī)的數(shù)字化程度。在全數(shù)字解調(diào)中，幾乎所有的模擬解調(diào)單元和件都可以對應(yīng)地找到它的數(shù)字化形式，如數(shù)字濾波器（FIR或IIR）、全數(shù)字乘法器和數(shù)控振蕩器[9], [10]（NCO）等。但全數(shù)字解調(diào)并不是簡單的將模擬解調(diào)中的器件全部數(shù)字化，它具有以下的特點(diǎn)：</p><p>　　1)電路結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試；</p><p>　　2)可以使用復(fù)雜的算法，從

12、而實(shí)現(xiàn)最佳的接收；</p><p>　　3)便于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）；</p><p>　　4)易于集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格低廉。</p><p>　　QPSK是目前應(yīng)用非常廣泛的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，目前QPSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)主要是利用數(shù)字電路和專用芯片來完成，通常利用可編程數(shù)字電路對基帶信號進(jìn)行碼元變換，成形濾波等處理后得到同相分量和正交分量，然后將兩

13、路信號分量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換獲得模擬信號送入一個(gè)正交相乘器與中頻載波調(diào)制得到中頻QPSK調(diào)制信號。該方法適合高碼率數(shù)字信號的傳輸，但系統(tǒng)的開放性和靈活性較差。</p><p>　　1.2.2 FPGA的發(fā)展概況</p><p>　　FPGA/CPLD、DSP和CPU被稱為未來數(shù)字電路系統(tǒng)的3塊基石，也是目前硬件設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)[11]。過去的數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)中，大多采用ASIC和DSP，但這類器

14、件都有一定的缺陷。ASIC處理速度快，但開發(fā)成本高，而且內(nèi)部功能不可改變，這樣系統(tǒng)的可重構(gòu)性差；DSP可以通過更改軟件來改變其功能，其重構(gòu)性好，但它的處理速度慢，逐漸跟不上越來越高的信號處理速度的要求。</p><p>　　20世紀(jì)90年代以來，微電子技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，其工藝水平達(dá)到深亞微米級，在一個(gè)芯片上可集成數(shù)百萬乃至上千萬只晶體管。這為制造出規(guī)模更大，速度更快和信息容量更大的芯片系統(tǒng)提供了條件，促進(jìn)了電

15、子設(shè)計(jì)自動化(EDA)技術(shù)的發(fā)展。FPGA的出現(xiàn)就是超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果[7]。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，F(xiàn)PGA具有功能強(qiáng)大，開發(fā)過程投資小、周期短，可反復(fù)編程修改，保密性能好，開發(fā)工具智能化等特點(diǎn)，正好充分發(fā)揮了軟件無線電可編程能力強(qiáng)，易于升級的特點(diǎn)，用FPGA取代或部分取代專用ASIC芯片可提高靈活性。FPGA允許電路設(shè)計(jì)者利用基于計(jì)算機(jī)的開發(fā)平臺，經(jīng)過設(shè)計(jì)輸入、仿真、測試和校驗(yàn)，直到達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。

16、采用FPGA器件可以將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，同時(shí)還可以很方便地對設(shè)計(jì)進(jìn)行在線修改，它成為研制開發(fā)的理想器件之一。FPGA可以看作是介于ASIC和DSP之間的一種實(shí)現(xiàn)手段，它既具有ASIC的高速處理能力，又擁有很好的可重構(gòu)性能，而且開發(fā)成本低，開發(fā)周期短，優(yōu)勢十分明顯[12]。雖然FPGA的思路來源于門陣列，但它與門陣列PLD不同，其內(nèi)部由許多獨(dú)立的可編</p><p>　　近年來，F(xiàn)PGA工藝發(fā)展很

17、快，F(xiàn)PGA的工作時(shí)鐘頻率也不斷增高，使芯片的處理能力增強(qiáng)。隨著大規(guī)模可編程邏輯器件的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入“片上可編程系統(tǒng)(SOPC)”的新紀(jì)元，越來越多的新型FPGA內(nèi)嵌CPU或者DSP內(nèi)核，支持軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)；芯片朝著高密度、低壓、低功耗方向挺進(jìn)；國際各大公司都在積極擴(kuò)充其IP庫，以優(yōu)化的資源更好地滿足用戶的需求，擴(kuò)大市場?；谶@樣的發(fā)展，F(xiàn)PGA己經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)軟件無線電數(shù)字信號處理的一種非常有效的選擇。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理

18、過程，而它靈活的可重構(gòu)性能保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線重構(gòu)，使系統(tǒng)具有高度的靈活性，當(dāng)設(shè)備需要增加新的無線接口時(shí)，不需要增加新的FPGA芯片，而只需將現(xiàn)有FPGA的內(nèi)部邏輯重構(gòu)就可以了，這樣就降低了設(shè)備的成本，縮短了開發(fā)周期，正是因?yàn)樗倪@些優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)PGA在無線電技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)中正在發(fā)揮越來越重要的作用。</p><p>　　1. 3 課題研究的意義和主要工作</p><p>　　數(shù)字字調(diào)

19、制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信中占有非常重要的地位，數(shù)字通信技術(shù)與FPGA的結(jié)合是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。在數(shù)寧信號的頻帶傳輸中，最重要的技術(shù)就是調(diào)制解調(diào)技術(shù)。數(shù)字調(diào)制是數(shù)字符號轉(zhuǎn)換成與信道特性相匹配的波形的過程。數(shù)字信號對載波的調(diào)制與模擬信號對載波的調(diào)制類似。它同樣足用輸入的數(shù)字信號控制(鍵控)載波的幅度、頻率和相位，因而有三種基本調(diào)制技術(shù)：幅移鍵控ASK(Ampl itude-Shift Keying)、頻移鍵控FSK(Frequen

20、cy-Shift Keying)、相移鍵控PSK(Phase-Shift Keying)。隨著技術(shù)的發(fā)展又演變出多種多樣的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。相移鍵控是用數(shù)字基帶信號控制載波的相位，使載波的相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式。由于PSK系統(tǒng)抗噪聲性能優(yōu)于ASK和FSK，而且頻帶利用率高，所以，在中、高速數(shù)字通信中被廣泛應(yīng)用。文中介紹了通信系統(tǒng)的組成、QPSK調(diào)制解調(diào)原理，并基于FPGA實(shí)現(xiàn)了QPSK調(diào)制電路。并給出了MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)

21、果與Systemview的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明了該設(shè)計(jì)的正確性。</p><p>　　本課題的主要研究工作包括以下四方面：</p><p>　?。?）了解數(shù)字調(diào)制解調(diào)的基本原理</p><p>　　（2）學(xué)習(xí)數(shù)字QPSK的特點(diǎn)、解調(diào)原理、數(shù)學(xué)模型；學(xué)習(xí)VHDL語言</p><p>　?。?）了解數(shù)字QPSK的發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用；了解FPG

22、A的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　（4）用Systemview對QPSK的調(diào)制解調(diào)進(jìn)行仿真</p><p>　　2 通信系統(tǒng)的組成</p><p>　　2.1 通信系統(tǒng)的模型</p><p>　　通信的目的是傳輸消息。消息具有不同的形式，例如：符號、文字、話音、音樂、數(shù)據(jù)、圖片、活動圖像等等。因而，根據(jù)所傳遞消息的不同，目前通信業(yè)務(wù)可分

23、為電報(bào)、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸即可視電話等。如果從廣義的角度看，則廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測、遙控等也可以列入通信范疇。</p><p>　　當(dāng)然，數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性?？梢姡M通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘柗N類。</p><p>　

24、　發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對象的不同

25、，需要對實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對信號的影響。</p><p>　　噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的。因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。</p><p>　　接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換

26、，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號來，對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。</p><p>　　信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)，其作用是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息[13]。</p><p>　　圖2.1概括地描述了一個(gè)通信系統(tǒng)的組成，它反映了通信系統(tǒng)的共性，因此稱之為通信系統(tǒng)的一般模型。根據(jù)研究的對象以及所關(guān)注的問題不同，

27、圖2.1模型中的各小方框的內(nèi)容和作用將有所不同，因而相應(yīng)有不同形式的更具體的通信模型。</p><p>　　圖2.1 通信系統(tǒng)的一般模型</p><p>　　信息源（簡稱信源）的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。根據(jù)消息的種類不同，心愿可分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源輸出連續(xù)的模擬信號，如話筒、攝像機(jī)；數(shù)字信源則輸出離散的數(shù)字信號，如電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端。并且模擬信源送出的信號經(jīng)

28、數(shù)字化處理后也可送出數(shù)字信號。</p><p>　　發(fā)送設(shè)備的作用是產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘枺词拱l(fā)送信號的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干擾的能力，并且具有足夠的功率以滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枰?。因此，發(fā)送設(shè)備涵蓋的內(nèi)容很多，可能包含變換、放大、濾波、編碼、調(diào)制等過程。對于多路傳輸系統(tǒng)，發(fā)送設(shè)備還包括多路復(fù)用器。</p><p>　　信道是一種物理媒質(zhì)，用來將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收

29、端。在無線信道中，信道可以是自由空間：在有線信道中，可以是明線、電纜和光纖。有線信道和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。信道既給信號以通路，也會對信號產(chǎn)生各種干擾和噪聲。信道的固有特性及引入的干擾和噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。</p><p>　　接收設(shè)備的功能是將信號放大和反變換（如譯碼、解調(diào)），其目的是從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。對于多路復(fù)用信號，接收設(shè)備中還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路的功能。此外，

30、它還要盡可能減小在傳輸過程中噪聲與干擾所帶來的影響。</p><p>　　受信者（簡稱信宿）是傳送消息的目的地，其功能與信源相反，即把原始電信號還原成相應(yīng)的信息，如揚(yáng)聲器等。</p><p>　　圖2.1中，信源發(fā)出的消息雖然有多種形式，但可分為兩大類：一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、活動圖片等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離

31、散的，如符號、數(shù)據(jù)等。</p><p>　　消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體—電信號來實(shí)現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類，即模擬信號和數(shù)字信號。</p><p>　　凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(gè)值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為模擬信號，如電話機(jī)送出的語音信號、電視攝像機(jī)輸出的圖

32、像信號等。模擬信號有時(shí)也稱連續(xù)信號，這個(gè)連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)，如圖2.2(b)所示的抽樣信號。</p><p>　　凡信號參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為數(shù)字信號，如電報(bào)信號、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號、PCM信號等。數(shù)字信號有時(shí)也稱離散信號，這個(gè)離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散，如圖2.

33、3(b)所示的2PSK信號。</p><p>　　圖2.2 模擬信號波形</p><p>　　圖 2.3 數(shù)字信號波形</p><p>　?、?連續(xù)信號； ② 抽樣信號</p><p>　?、俣M(jìn)制波形； ②2PSK波形</p><p>　　因此，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號， 可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通

34、信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。</p><p>　　模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。 我們知道，信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300-3400Hz， 圖像信號為0-6MHz。由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量， 一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?，并可在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器

35、。經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個(gè)基本特征：</p><p>　　一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。</p><p>　　需要指出，消息從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中，不僅僅只有連續(xù)消息與基帶信號和基帶信號與頻帶信號之間的兩種變換，實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。由于調(diào)制與解調(diào)兩

36、種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號不會發(fā)生質(zhì)的變化，只是對信號進(jìn)行了放大或改善了信號特性，因而被認(rèn)為是理想的而不予討論。</p><p>　　模擬通信系統(tǒng)模型可由圖2.1略加演變而成。</p><p>　　2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型</p><p>　　數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)， 如圖2.4所示。數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多，其中主要

37、有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加密等。</p><p>　　信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用之二是，當(dāng)信息源給出的是模擬語音信號時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。</p><p>　　數(shù)字信號在信道傳輸時(shí)，由于

38、噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起差錯(cuò)。為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。 </p><p>　　在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密

39、碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來信息，叫解密。 </p><p>　　數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號?；镜臄?shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對（差分）相移鍵控DPSK。對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號。對高斯噪聲下的信號檢測，一般用相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)。</p><p&g

40、t;　　同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號在時(shí)間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。</p><p>　　數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字信號合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。</p><p>　　需要說明的是，圖2.4是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般化模型， 實(shí)際的數(shù)字

41、通信系統(tǒng)不一定包括圖2.4中的所有環(huán)節(jié)。 </p><p>　　圖2.4 數(shù)字通信系統(tǒng)模型</p><p>　　當(dāng)然，數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。可見，模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘柗N類[14]。</p><p>

42、　　2.3 數(shù)字通信的特點(diǎn)</p><p>　　與模擬通信相比，數(shù)字通信具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　（1）抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累。數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖请x散取值的數(shù)字波形，接收端的目標(biāo)不是精確地還原被傳輸?shù)牟ㄐ危菑氖艿皆肼暩蓴_的信號中判決出發(fā)送端所發(fā)送的是哪一個(gè)波形。以二進(jìn)制為例，信號的取值只有兩個(gè)，這時(shí)要求在接收端能正確判決發(fā)送的是兩個(gè)狀態(tài)中的哪一個(gè)即可。在遠(yuǎn)距離傳輸

43、時(shí)，如微波中繼通信，各中繼站可利用數(shù)字通信特有的抽樣判決再生的接受方式，使數(shù)字信號再發(fā)生且噪聲不積累。而模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖沁B續(xù)變化的模擬信號，它要求接收機(jī)能夠高度保真地重現(xiàn)原信號波形，一旦信號疊加上噪聲后，即使噪聲很小，也很難消除它。</p><p>　?。?）傳輸差錯(cuò)可控。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，可通過信道編碼技術(shù)進(jìn)行檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，降低誤碼率，提高傳輸質(zhì)量。</p><p>　?。?）便于用

44、現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲。這種數(shù)字處理的靈活性表現(xiàn)為可以將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸。</p><p>　?。?）易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。</p><p>　　（5）易于加密處理，且保密性好。</p><p>　　數(shù)字通信的缺點(diǎn)是，一般需要較大的傳輸帶寬。另外，由于數(shù)字通信對同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜[15]。</

45、p><p>　　2.4 數(shù)字基帶信號</p><p>　　信源發(fā)出的沒有經(jīng)過調(diào)制的原始電信號所固有的頻帶，稱為基本頻帶，簡稱基帶。</p><p>　　現(xiàn)代通信借助于電和光來傳輸信息，數(shù)字終端產(chǎn)生的數(shù)字信息是以“1”和“0”兩種代碼（狀態(tài)）位代表的隨機(jī)序列，他可以用不同形式的電信號表示，從而構(gòu)造不同形式的數(shù)字信號。在一般的數(shù)字通信系統(tǒng)中首先將消息變?yōu)閿?shù)字基帶信號，稱為信

46、源編碼，經(jīng)過調(diào)制后進(jìn)行傳輸，在接收端先進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)為基帶信號，再進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換為消息。</p><p>　　在實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有電波均能在信道中傳輸，因此有基帶信號的選擇問題，因此對碼型的設(shè)計(jì)和選擇需要符合一定的原則。當(dāng)數(shù)字信號進(jìn)行長距離傳輸時(shí)，高頻分量的衰減隨距離的增大而增大，電纜中線對之間的電磁輻射也隨著頻率的增高而加劇，從而限制信號的傳輸距離和傳輸質(zhì)量，同時(shí)信道中往往還存在隔直流電容和耦合變壓器

47、，他們不能傳輸直流分量及對低頻分量有較大的衰減，因此對于一般信道高頻和低頻部分均是受限的。</p><p>　　對于這樣的信道，應(yīng)使線路傳輸碼型的頻譜不含直流分量，并且只有很少的低頻分量和高頻分量。其次，傳輸碼型中應(yīng)含有定時(shí)時(shí)鐘信息，以利于收端定時(shí)時(shí)鐘的提取，在基帶傳輸系統(tǒng)中，定時(shí)信息是在接收端再生原始信息所必需的。</p><p>　　一般傳輸系統(tǒng)中，為了節(jié)省頻帶是不傳輸定時(shí)信息的，必須

48、在接受端從相應(yīng)的基帶信號中加以提取。再次，實(shí)際傳輸系統(tǒng)常希望在不中斷通信的前提下，能監(jiān)視誤碼，如果傳輸碼型有一定的規(guī)律性，那么就可以根據(jù)這一規(guī)律性來檢測傳輸質(zhì)量，以便做到自動監(jiān)測，因此，傳輸碼型應(yīng)具有一定的誤碼檢測能力。當(dāng)然，對傳輸碼型的選擇還需要編碼和解碼設(shè)備盡量簡單等要求，但以上的幾點(diǎn)是最主要的考慮因素。在基帶傳輸系統(tǒng)中,一系列的基帶信號波形被變換成相應(yīng)的發(fā)送基帶波形后，就被送入信道。</p><p>　　信

49、號通過信道傳輸，一方面受到信道特性的影響，使信號產(chǎn)生畸變；令一方面信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨機(jī)畸變。因此，到達(dá)接收端的基帶脈沖信號發(fā)生了畸變。為此，在接收端首先安排一個(gè)接收濾波器，使噪聲盡量得到抑制，而使信號順利通過。然而，在接收濾波器的輸出信號里，總還是存在畸變信號和混有噪聲的。因此，為提高接收系統(tǒng)的可靠性，通常在接收濾波器的輸出端安排一個(gè)識別電路，通常的識別電路是抽樣判別器，它是在每一接收基帶波形的中心附近，對信號進(jìn)

50、行抽樣，然后將抽樣值與判決門限進(jìn)行比較。若抽樣值大于門限，則判為“高”電平。這樣就獲得一系列新的基帶波形—再生的基帶信號。</p><p>　　所謂數(shù)字基帶信號，就是消息代碼的電脈沖表示―電波形。在實(shí)際基帶傳輸系統(tǒng)中，并非所有的原始數(shù)字基帶信號都能在信道中傳輸，例如，含有豐富直流和低頻成分的基帶信號就不適宜在信道中傳輸，因?yàn)樗锌赡茉斐尚盘枃?yán)重畸變；再如，一般基帶傳輸系統(tǒng)都是從接收到的基帶信號中提取位同步信號，而

51、位同步信號卻又依賴于代碼的碼型，如果代碼出現(xiàn)長時(shí)間的連 “0” 符號，則基帶信號可能會長時(shí)間出現(xiàn) 0 電位，從而使位同步恢復(fù)系統(tǒng)難以保證位同步信號的準(zhǔn)確性。實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)還可能提出其它要求，從而導(dǎo)致對基帶信號也存在各種可能的要求。歸納起來，對傳輸用的基帶信號的要求主要有兩點(diǎn)：</p><p>　　(1)對各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；</p><p>　　

52、(2)對所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。前一問題稱為傳輸碼型的選擇，后一問題稱為基帶脈沖的選擇。這是兩個(gè)既彼此獨(dú)立又相互聯(lián)系的問題，也是基帶傳輸原理中十分重要的兩個(gè)問題。</p><p>　　傳輸碼（常稱為線路碼）的結(jié)構(gòu)將取決于實(shí)際信道的特性和系統(tǒng)工作的條件。概括起來，在設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號碼型時(shí)應(yīng)考慮以下原則：</p><p>　　(1)碼型中應(yīng)不含直流分量，低頻分量

53、盡量少。</p><p>　　(2)碼型中高頻分量盡量少。這樣既可以節(jié)省傳輸頻帶，提高信道的頻帶利用率，還可以減少串?dāng)_。串?dāng)_是指同一電纜內(nèi)不同線對之間的相互干擾，基帶信號的高頻分量越大，則對鄰近線對產(chǎn)生的干擾就越嚴(yán)重。</p><p>　　(3)碼型中應(yīng)包含定時(shí)信息。</p><p>　　(4)碼型具有一定檢錯(cuò)能力。若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，則就可根據(jù)這一規(guī)律性來檢

54、測傳輸質(zhì)量，以便做到自動監(jiān)測。</p><p>　　(5)編碼方案對發(fā)送消息類型不應(yīng)有任何限制，即能適用于信源變化。這種與信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)的性質(zhì)稱為對信源具有透明性。</p><p>　　(6)低誤碼增殖。對于某些基帶傳輸碼型，信道中產(chǎn)生的單個(gè)誤碼會擾亂一段譯碼過程，從而導(dǎo)致譯碼輸出信息中出現(xiàn)多個(gè)錯(cuò)誤，這種現(xiàn)象稱為誤碼增殖。</p><p>　　(7)高的編碼效率

55、。  </p><p>　　(8)編譯碼設(shè)備應(yīng)盡量簡單。</p><p>　　上述各項(xiàng)原則并不是任何基帶傳輸碼型均能完全滿足，往往是依照實(shí)際要求滿足其中若干項(xiàng)[16]。</p><p>　　3 QPSK調(diào)制解調(diào)的原理</p><p>　　3.1 相移鍵控系統(tǒng)概述</p><p>　　相移鍵控是目前

56、擴(kuò)頻系統(tǒng)中大量使用的調(diào)制方式，也是和擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合最成熟的調(diào)制技術(shù)，原則上看是一種線性調(diào)制。從基帶變換到中頻以及射頻，中間的頻譜搬移和信號放大需要一個(gè)要求較高的線性信道，因而，設(shè)計(jì)要求較高。</p><p>　　相移鍵控系統(tǒng)中，有待傳輸?shù)幕鶐?shù)字脈沖控制著載波相位的變化，從而形成振幅與頻率不變，而相位取離散值變化的已調(diào)波。</p><p>　　3.1.1 二進(jìn)制相移鍵控</p>

57、<p>　　對于二進(jìn)制相移鍵控BPSK（Binary Phase Shift Keying）來說，就是二進(jìn)制的數(shù)字信號0和1分別用載波的0和π來表示。其表達(dá)式由公式(2.1)給出:</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　式中，An為二進(jìn)制數(shù)字，</p><p><b>　　(2.2)<

58、/b></p><p>　　3.1.2 四相相移鍵控</p><p>　　四相相移鍵控QPSK是MPSK[17]的一種特殊情況。它是利用載波四個(gè)不同的相位來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。因此，對于輸入的二進(jìn)制數(shù)字序列應(yīng)該先進(jìn)行分組，將每兩個(gè)比特編為一組；然后用4種不同的載波相位去表征它們。例如，若輸入二進(jìn)制數(shù)字信息序列為lO1lOlOO，則可將它們分成10，1l，01，00，然后用4種不同

59、的相位來分別表示它們。由于每一種載波相位代表2個(gè)比特信息。故每個(gè)四進(jìn)制碼元又被稱為雙比特碼元。</p><p>　　由于四相絕對移相調(diào)制可以看作兩個(gè)正交的二相絕對移相調(diào)制的合成，故QPSK信號的產(chǎn)生方法采用相位選擇法，如圖3.1所示[18]。</p><p>　　圖3.1 相位選擇法的組成方框圖</p><p>　　由圖3.1可知，四相載波發(fā)生器分別送出調(diào)相所需的4

60、種不同相位的載波，即數(shù)字載波信號。按照串／并變換器輸出雙比特碼元的不同，邏輯選相電路輸出相應(yīng)相位的載波。雙比特碼元ab為00時(shí)，輸出相位為0°的載波；ab為01時(shí)，輸出相位為90°的載波；ab為10時(shí)，輸出相位為180°的載波；ab為11時(shí)，輸出相位為270°的載波。根據(jù)MPSK調(diào)制原理，設(shè)計(jì)模型如圖3.2所示[19]。電路主要由分頻器和四選-開關(guān)等組成，分頻器對外部時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻和計(jì)數(shù)，并輸出

61、4路頻率相同而相位不同的相干數(shù)字載波信號；四選一開關(guān)是在基帶信號的控制下，對4路載波信號進(jìn)行選通，輸出數(shù)字QPSK信號。但這還不是真正的QPSK信號，需要在FPGA器件外部加一個(gè)D／A變換器，將輸出轉(zhuǎn)換為模擬信號。</p><p>　　圖3.2 MPSK調(diào)制方框圖</p><p>　　如圖3.2所示，輸入時(shí)鐘信號clk及使能信號start，當(dāng)start為高電平時(shí)才進(jìn)行QPSK調(diào)制，輸入基

62、帶信號X為0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0進(jìn)行串／并變換?；鶐盘杧由一路信號變?yōu)閮陕凡⑿行盘枺儞Q后分別為a信號和b信號，則ab信號構(gòu)成兩位并行信號yy，變換后的yy值如表1.1所示。</p><p>　　表1.1 串／并變換</p><p>　　時(shí)鐘信號進(jìn)入八分頻計(jì)數(shù)器q進(jìn)行分頻得到4種不同相位的載波。載波相位為0°、

63、90°、180°、270°的4種載波，載波波形如表1.2所示。</p><p>　　表1.2 調(diào)制信號說明</p><p>　　四選一開關(guān)根據(jù)信號yy值，選擇載波對應(yīng)相位進(jìn)行輸出，可得到已調(diào)信號Y。如表3-2所示，當(dāng)yy值為“0”，選擇輸出對應(yīng)的載波f3；當(dāng)yy值為“1”，選擇輸出對應(yīng)的載波f2；當(dāng)yy值為“2”，選擇輸出3對應(yīng)的載波fl；當(dāng)yy值為“3”，選

64、擇輸出對應(yīng)的載波f0，即最終選擇輸出的載波波形就構(gòu)成r調(diào)制信號Y。當(dāng)start為高電平時(shí)，進(jìn)行調(diào)制，仿真結(jié)果如圖3所示，選擇相位分別為0°，180°，180°，270°,0°，90°。 </p><p>　　QPSK信號可以表示為</p><p><b>　　(2.3)</b></p><

65、p>　　式中，是載波的角頻率，是第k個(gè)碼元的載波相位取值，Ts是一個(gè)發(fā)送碼元的持續(xù)時(shí)間，它將取可能的四種相位之一，g(t)是發(fā)送碼元的波形函數(shù)。是可以取區(qū)間（0，2π）任何離散值的隨機(jī)變量，可取的個(gè)數(shù)由調(diào)制方式的進(jìn)制來決定。在QPSK調(diào)制系統(tǒng)中，發(fā)送端可取的相位值為四個(gè)。</p><p><b>　　將上式展開，得到：</b></p><p><b>

66、　　（2.4）</b></p><p>　　令，，則兩者的取值為隨機(jī)的離散值，和選定的相位有關(guān)，在星座圖的映射中對應(yīng)同相和正交分量，反映其在映射圖中的矢量位置。</p><p>　　對于四種相位的選擇，存在π/2體系和π/4體系。π/2體系對應(yīng)n=0，π/2，π，3π/2四個(gè)離散值。π/4體系對應(yīng)n=π/4，3π/4，5π/4，7π/4四個(gè)離散值。</p><

67、;p>　　從式(2.4)可以看出，四相調(diào)制的波形，可以看成是對兩個(gè)正交載波進(jìn)行二進(jìn)</p><p>　　制幅度調(diào)制的信號之和。從Xn和Yn的取值，容易發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的矢量約束關(guān)</p><p>　　系，保證兩者合成的矢量點(diǎn)在落在同一圓周上。這個(gè)關(guān)系意味著，系統(tǒng)的非線形</p><p>　　失真對QPSK系統(tǒng)的可靠性影響很小。</p><p

68、>　　3.2 QPSK調(diào)制原理</p><p>　　QPSK信號有00、01、10、11四種狀態(tài)。所以．對輸人的二進(jìn)制序列，首先必須分組，每兩位碼元一組。然后根據(jù)組合情況，用載波的四種相位表征它們。QPSK信號實(shí)際上是兩路正交雙邊帶信號，可由圖3.1所示方法產(chǎn)生。</p><p>　　QPSK調(diào)制器可以看成由兩個(gè)BPSK調(diào)制器構(gòu)成。輸入的串行二進(jìn)制序列經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分成兩路速率減

69、半的序列，然后經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換后變成兩路雙極性二電平信號I (t)和Q (t)，然后跟cos2πf t和sin 2πf t相乘進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到QPSK信號。如圖3.1所示:</p><p>　　圖3.3 QPSK調(diào)制過程</p><p>　　由圖3.1,可以看出，QPSK是由兩路BPSK信一號構(gòu)成，且兩路信號相互正交的，即相位差相差90°，兩路BPSK信號相加，即得到QPSK

70、信號。圖3.3是比較常用的QPSK調(diào)制方式。</p><p>　　3.3 QPSK解調(diào)原理</p><p>　　在QPSK解調(diào)中，常采用相干解調(diào)[18] [12] [21] [22]，其原理框圖見下圖所示：</p><p>　　圖3.4 QPSK解調(diào)過程</p><p>　　相干解調(diào)中，正交路和同相路分別設(shè)置兩個(gè)相關(guān)器(或匹配濾波器)，得

71、到I(t)</p><p>　　和Q(t)，經(jīng)電平判決和并一串變換后即可恢復(fù)原始信息。當(dāng)然，如果調(diào)制端是差分編碼的，那么解調(diào)中并串變換后還需一個(gè)差分解碼。</p><p>　　假如已調(diào)信號為，、分別為同相路和正交路，為載波頻率。那么相干解調(diào)后，同相路相乘可得：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　

72、= （2.5）</p><p><b>　　正交路為：</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　= （2.6）</p><p>　　經(jīng)過低通濾波后，可得：</p><p><b>　　（2.7）</b>

73、</p><p>　　經(jīng)過判決電路后，由上式，可得到如下表1.3所示結(jié)果（同相路和正交路是經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換的，1對應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)1，-1對應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)0）</p><p>　　表1.3 I、Q路的判決</p><p>　　解調(diào)過程中涉及到信號的采樣、數(shù)字下變頻、載波同步、位同步等關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　信號的采樣是模擬信號與數(shù)字信號之間

74、的一個(gè)通道，是數(shù)字化解調(diào)過程中一個(gè)及其關(guān)鍵的步驟。</p><p>　　數(shù)字下變頻DDC(Digital Down Converter)是隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展而</p><p>　　出現(xiàn)的，目前大量使用在數(shù)字中頻技術(shù)中，它的根本任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻到基帶信號的變換。數(shù)字下變頻的組成與模擬下變頻器類似，包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器（NCO）和低通濾波器（LPF）三部分組成。影響數(shù)字下

75、變頻器性能的主要因素有兩個(gè)：一是表示數(shù)字本振、輸入信號以及混頻乘法運(yùn)算的樣本數(shù)值的有限字長所引起的誤差；二是數(shù)字本振相位分辨率不夠而引起數(shù)字本振樣本數(shù)值的近似取值。也就是說，數(shù)字混頻器和數(shù)字本振的數(shù)據(jù)位數(shù)不夠?qū)挘嬖谖矓?shù)截?cái)嗟那闆r；數(shù)字本振相位的樣本值存在近似的情況。它主要涉及數(shù)控振蕩器NCO，抽取濾波器（即積分-清洗濾波器）等技術(shù)。</p><p>　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，解調(diào)器的任務(wù)是恢復(fù)出傳輸來的原始數(shù)據(jù)系列

76、。解調(diào)器</p><p>　　的構(gòu)成方案通常可以分為兩類：同步解調(diào)和異步解調(diào)。兩者的區(qū)別在于，同步解</p><p>　　調(diào)需要一個(gè)相干同步的本地載波。一般地說，同步解調(diào)性能較為優(yōu)良。但是，對</p><p>　　于抑制載波分量的調(diào)制信號來說，要從接收的信號中恢復(fù)出參考載波，必須進(jìn)行</p><p><b>　　相應(yīng)的處理。<

77、/b></p><p>　　在數(shù)字通信中，除了載波同步外，還需要位同步。因?yàn)橄⑹且淮B續(xù)的碼</p><p>　　元系列，解調(diào)時(shí)必須知道碼元的起止時(shí)刻，即碼同步。位同步可分為自同步和外</p><p>　　同步兩種。自同步是直接從接收的信號中提取位同步信息，而外同步是在發(fā)射端</p><p>　　專門發(fā)射導(dǎo)頻信號。例如，在基帶信號頻譜

78、的零點(diǎn)，插入所需的導(dǎo)頻信號，在接</p><p>　　收端，利用窄帶濾波器，就可以從解調(diào)后的基帶信號中提取所需的同步信息。插</p><p>　　入導(dǎo)頻也可以使數(shù)字信號的包絡(luò)，隨同步信號的某種波形而變化。在相移或頻移</p><p>　　鍵控時(shí)，在接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波就可得到同步信號。</p><p>　　3.4 QPSK的星座圖</

79、p><p>　　QPSK信號常常可以用星座圖來表示，或者也可稱之為矢量圖。它表明了各符號〔用雙比特表示，即11，00，01，10)間的幅度和相位關(guān)系，四個(gè)雙比特符分別表示QPSK信號的四個(gè)相位，相鄰兩個(gè)相位之間是相互正交的，對于的情況，星座圖如圖3.5(a)所示：</p><p>　　(a) (b)</p><p&g

80、t;　　圖3.5 QPSK星座映射圖</p><p>　　上圖星座圖中，11，01，00，10分別對應(yīng)于己調(diào)信號相位初始載波相位通常設(shè)為0。在它們的相位偏移關(guān)系中，我們稱，01對11，00對01等，相位偏移90度；或者00對11偏180度事實(shí)上，在很多有關(guān)QPSK芯片對相位偏移的陳述中，都是以符號00作為基準(zhǔn)相位來加以描述的，如表1.4所示：</p><p>　　表1.4 00作為基準(zhǔn)的相

81、位偏移</p><p>　　上面的相位偏移，實(shí)際上都是對符號00而言的。而且我們可以看出，這樣的</p><p>　　相位偏移，其實(shí)就是圖3.5(a)所介紹的星座圖。</p><p>　　相位偏移關(guān)系非常的重要，這對于我們實(shí)現(xiàn)自己的QPSK關(guān)系非常大，否則往往可能結(jié)果相反。比如前面那個(gè)例子，假如01對00偏90°,10對00偏-90°,那么它們所

82、對應(yīng)的星座圖，將會變成圖3.5(b)的樣子。</p><p>　　3.5 其它QPSK簡介</p><p>　　上面說的QPSK調(diào)制方式，當(dāng)基帶信號經(jīng)過脈沖成形時(shí)(如升余弦滾降信號)，QPSK信號將失去恒包絡(luò)的性質(zhì)，當(dāng)發(fā)生幅度為π的相移時(shí)〔每個(gè)符號間的兩位都改變)，將會導(dǎo)致信號包絡(luò)瞬間過零點(diǎn)。任何一種在過零點(diǎn)的硬限幅或非線性放大，</p><p>　　都將由于信號在

83、低電壓時(shí)的失真而在傳輸過程中帶來已被濾除的旁瓣，這顯然是并不希望的。為了防止旁瓣再生和頻譜擴(kuò)展，必須使用效率較低的線性放大器放大QPSK信號。因而，產(chǎn)生了一種改進(jìn)型的QPSK信號，OQPSK，即交錯(cuò)或參差QPSK。它的原理是讓兩路信號工I (t)和Q (t)錯(cuò)開，讓在任意時(shí)刻只有兩個(gè)比特中的一個(gè)改變它的值，這樣符號間的相移都只限制在±90°，消除了180°相位跳變帶來的負(fù)面影響。因?yàn)?80°相位跳

84、變消除了，所以O(shè)QPSK信號的帶限不會導(dǎo)致信號包絡(luò)經(jīng)過零點(diǎn)。帶限處理會造成一定程度的ISI[22] [23]，特別是在90°相位點(diǎn)。但是，包絡(luò)的變化小多了，因此對OQPSK的硬限幅或非線性放大不會再生出像在QPSK中那么多的高頻旁瓣。</p><p>　　還有一種QPSK調(diào)制方式，被稱作π/4QPSK，它是OQPSK和QPSK的折衷，它的符號間的最大相位跳變是±135°，因此，π/4

85、QPSK比QPSK有更好的恒包絡(luò)性質(zhì)，但是對包絡(luò)的變化比OQPSK更敏感。但是，π/4QPSK的最吸引人的地方是它能夠非相干解調(diào)，可使接收端設(shè)計(jì)簡化。</p><p>　　4 基于FPGA的QPSK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1 基于FPGA的QPSK調(diào)制電路方框圖</p><p>　　基帶信號通過串／并轉(zhuǎn)換器得到2位并行信號，四選一開關(guān)根據(jù)該

86、數(shù)據(jù)，選擇載波對應(yīng)的相位進(jìn)行輸出，即得到調(diào)制信號，調(diào)制框圖如圖4.1所示。[26] [27]</p><p>　　圖4.1 QPSK的調(diào)制電路方框圖</p><p>　　4.2 調(diào)制電路VHDL程序</p><p>　　library ieee;</p><p>　　use ieee.std_logic_arith.all;</p&g

87、t;<p>　　use ieee.std_logic_1164.all;</p><p>　　use ieee.std_logic_unsigned.all;</p><p>　　entity modulation is</p><p>　　port(clk :in std_logic; --系統(tǒng)時(shí)鐘</p><p>　　st

88、art :in std_logic; --開始調(diào)制信號</p><p>　　x :in std_logic; --基帶信號</p><p>　　y :out std_logic); --調(diào)制信號</p><p>　　end modulation;</p><p>　　architecture behav of

89、 modulation is</p><p>　　signal q:integer range 0 to 7;--計(jì)數(shù)器</p><p>　　signal xx:std_logic_vector(1 downto 0);--中間寄存器</p><p>　　signal yy:std_logic_vector(1 downto 0);--2位并行碼寄存器</p&

90、gt;<p>　　signal f:std_logic_vector(3 downto 0); --載波f</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　process(clk) --通過對clk分頻，得到4種相位；并完成基帶信號的串并轉(zhuǎn)換</p><p><b>　　begin</b>

91、</p><p>　　if (clk'event and clk='1') then</p><p>　　if start='0' then q<=0;</p><p>　　elsif q=0 then q<=1;f(3)<='1';f(1)<='0';xx(1)<

92、=x;yy<=xx;</p><p>　　elsif q=2 then q<=3;f(2)<='0';f(0)<='1';</p><p>　　elsif q=4 then q<=5;f(3)<='0';f(1)<='1';xx(0)<=x;</p><p&g

93、t;　　elsif q=6 then q<=7;f(2)<='1';f(0)<='0';</p><p>　　else q<=q+1;</p><p><b>　　end if;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><

94、;p>　　end process;</p><p>　　y<=f(0) when yy="11" else</p><p>　　f(1) when yy="10" else</p><p>　　f(2) when yy="01" else</p><p>　　f(3);

95、--根據(jù)yy寄存器數(shù)據(jù)，輸出對應(yīng)載波</p><p>　　end behav;</p><p>　　MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2調(diào)制程序仿真結(jié)果</p><p>　　4.3 QPSK解調(diào)電路的FPGA 實(shí)現(xiàn)方框圖</p><p>　　圖4.3 QPSK解調(diào)電路方框圖

96、</p><p>　　當(dāng)調(diào)制為低電平時(shí)，譯碼器1根據(jù)記數(shù)器輸出值。送人加法器相應(yīng)的數(shù)據(jù)。加法器把運(yùn)算結(jié)果送到寄存器。譯碼器2根據(jù)寄存器數(shù)據(jù)通過譯碼，輸出兩位并行信號，該信號再通過并／串轉(zhuǎn)換即可得到解調(diào)后的基帶信號，其調(diào)制框圖如圖4.3所示。</p><p>　　4.4 解調(diào)電路VHDL程序及仿真結(jié)果</p><p>　　library ieee;</p>

97、;<p>　　use ieee.std_logic_arith.all;</p><p>　　use ieee.std_logic_1164.all;</p><p>　　use ieee.std_logic_unsigned.all;</p><p>　　entity demodulation is</p><p>　　por

98、t(clk :in std_logic; --系統(tǒng)時(shí)鐘</p><p>　　start :in std_logic; --同步信號</p><p>　　x :in std_logic; --調(diào)制信號</p><p>　　y :out std_logic); --基帶信號</p><p>　　end demo

99、dulation;</p><p>　　architecture behav of demodulation is</p><p>　　signal q:integer range 0 to 7; --計(jì)數(shù)器</p><p>　　signal xx:std_logic_vector(2 downto 0);--加法器</p><p>　　si

100、gnal yy:std_logic_vector(1 downto 0);--2位并行基帶信號寄存器</p><p>　　signal yy:std_logic_vector(2 downto 0); --寄存xx數(shù)據(jù)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　process(clk)</p><p

101、><b>　　begin</b></p><p>　　if (clk'event and clk='1') then</p><p>　　if start='0' then q<=0;</p><p>　　elsif q=0 then q<=1;yy<=xx;y<=yyy(0

102、); --把加法計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)送入yy寄存器</p><p>　　if x='0' then xx<="001"; --調(diào)制信號x為低電平時(shí)，送入加法器的數(shù)據(jù)“001”</p><p>　　else xx<="000";</p><p><b>　　end if;</b><

103、/p><p>　　elsif q=2 then q<=3;</p><p>　　if x='0' then xx<=xx+"001";--調(diào)制信號x為低電平時(shí)，送入加法器的數(shù)據(jù)“001”</p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　elsif q=4

104、 then q<=5;y<=yyy(1);</p><p>　　if x='0' then xx<=xx+"010"; --調(diào)制信號x為低電平時(shí)，送入加法器的數(shù)據(jù)“010”</p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　elsif q=6 then q<=7;

105、</p><p>　　if x='0' then xx<=xx+"011";--調(diào)制信號x為低電平時(shí)，送入加法器的數(shù)據(jù)“0011”</p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　else q<=q+1;</p><p><b>　　end

106、 if;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;</p><p>　　process(yy) --此進(jìn)程根據(jù)yy寄存器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼</p><p><b>　　begin</b></p><p>

107、;　　if ( clk' event and clk ='1') then</p><p>　　if yy="101" then yyy<="00"; --yy寄存器“101”對應(yīng)基帶碼“00”</p><p>　　elsif yy="011" then yyy<="01";

108、 --yy寄存器“011”對應(yīng)基帶碼“01”</p><p>　　elsif yy="010" then yyy<="10"; --yy寄存器“010”對應(yīng)基帶碼“10”</p><p>　　elsif yy="100" then yyy<="11"; --yy寄存器“100”對應(yīng)基帶碼“11”&l

109、t;/p><p>　　else yyy<="00";</p><p><b>　　end if;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;</p><p>　　end behav; <

110、/p><p>　　MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 解調(diào)程序仿真結(jié)果</p><p>　　4.5 基于FPGA的QPSK調(diào)制解調(diào)的設(shè)計(jì)仿真</p><p>　　由圖4.3和圖4.4可知在QPSK解調(diào)中，對于頻率與相位的要求比較高，在解調(diào)中由于手動的輸入基帶信號，造成頻率和相位的偏差，而頻率與相位

111、的偏差會引起誤碼率的增加。為了更好的觀察輸入輸出波形，在quartusII中創(chuàng)建調(diào)制功能模塊和解調(diào)功能模塊，再新建一個(gè)波形文件，插入生成的調(diào)制模塊和解調(diào)模塊，創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)模塊后進(jìn)行功能仿真，如圖4.5和圖4.6所示。</p><p>　　圖4.5 調(diào)制解調(diào)功能模塊圖</p><p>　　圖4.6 調(diào)制解調(diào)輸出波形</p><p>　　由圖4.6可知系統(tǒng)輸出有一定的延

112、遲，與輸入信號相比還有一點(diǎn)偏差，但誤碼率明顯減少，還是取得出了預(yù)期的效果。</p><p>　　多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)與FPGA的結(jié)合使得通信系統(tǒng)的性能得到了迅速的提高。文中基于FPGA方式實(shí)現(xiàn)了QPSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì),它比傳統(tǒng)的模擬調(diào)制方式有著顯著的優(yōu)越性,通信鏈路中的任何不足均可以借助于軟件根除,不僅可以實(shí)現(xiàn)信息加密,而且還可以通過相應(yīng)的誤差校準(zhǔn)技術(shù),使接收到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高。為了設(shè)計(jì)更簡單采用了相位選擇法