基于DSP的QPSK調(diào)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

l 前言
    隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)通信系統(tǒng)功能的要求不斷提高?；谕瑯拥挠布h(huán)境，由軟件來(lái)完成不同的通信功能的方式趨于成熟，通過(guò)改變程序可以很靈活地更改通信系統(tǒng)的功能和性能。于是，可編程高速器件如DSP，ARM等成了現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要角色。數(shù)字調(diào)制是用載波信號(hào)的某些離散狀態(tài)來(lái)表征所傳送的信息，然后在接收端對(duì)載波信號(hào)的離散調(diào)制參量進(jìn)行檢測(cè)。
    四相相移鍵控(QPSK)方式已經(jīng)在數(shù)字調(diào)制技術(shù)中占有越來(lái)越重要的地位，該調(diào)制方式廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、電纜調(diào)制解調(diào)、視頻會(huì)議系統(tǒng)、蜂窩電話和其他數(shù)字通信等領(lǐng)域。它具有適中的頻譜利用率，很低的比特錯(cuò)誤率。由于高速數(shù)字信號(hào)處理器(如TI公司TMS320系列)的廣泛應(yīng)用，為數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器提供了有利的條件，同時(shí)省去了大量的硬件電路，如環(huán)型濾波器，VCO等。在DSP技術(shù)的支持下很容易實(shí)現(xiàn)。

2 QPSK的基本原理與算法
2．1 絕對(duì)正交相移鍵控(QPSK)
    在絕對(duì)相移鍵控方式中，表達(dá)式為：

   
式中I(t)是同相支路信號(hào)，Q(t)是正交支路信號(hào)。
    圖1給出實(shí)現(xiàn)QPSK調(diào)制的原理。輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換電路分為兩路速率減半的雙極性信號(hào)：同相信號(hào)I(t)和正交信號(hào)Q(t)，經(jīng)低通濾波成形后分別與相互正交的兩路載波信號(hào)相乘，然后相加即可得到QPSK信號(hào)，也可以采用相位選擇法來(lái)實(shí)現(xiàn)QPSK信號(hào)，輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換后，成為雙比特碼元，而載波發(fā)生器產(chǎn)生4種不同相位的載波波形，根據(jù)雙比特碼元的不同組合．每個(gè)比特周期從4種不同相位的載波中選擇一種輸出，然后經(jīng)帶通濾波器濾除帶外干擾信號(hào)，就得到QPSK信號(hào)，這種方式適用于載波頻率較高的場(chǎng)合。

    設(shè)原始數(shù)據(jù)流為dk(t)=d0d2d2…，取雙極性脈沖序列。其值為+1或一1，分別代表O或1，dk(t)經(jīng)數(shù)據(jù)分離器分成奇偶兩路，dI(t)=d0d2d4…和dQ(t)=d1d3d5…，每路的碼元寬度擴(kuò)展為2T。其中，奇數(shù)路數(shù)據(jù)d0(t)經(jīng)過(guò)時(shí)延送入O信道，對(duì)載波sinωct進(jìn)行二相調(diào)制；偶數(shù)路數(shù)據(jù)dI(t)送入I信道，對(duì)載波cosωct進(jìn)行二相調(diào)制。然后2個(gè)信號(hào)相加得到四相信號(hào)。碼元轉(zhuǎn)換時(shí)，QPSK信號(hào)的相位可能產(chǎn)生90°的跳變，也可能產(chǎn)生180°的跳變，前者發(fā)生在2個(gè)信道的一路數(shù)據(jù)改變極性時(shí)，后者發(fā)生在2個(gè)信道的數(shù)據(jù)同時(shí)改變極性時(shí)。
2．2 偏移正交相移鍵控(OQPSK)
    在絕對(duì)相移鍵控(QPSK)的調(diào)制中，輸入的二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后得到的I，Q兩路數(shù)據(jù)是相互對(duì)齊的，當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)由00變?yōu)?1或由Ol跳變?yōu)?0，即I，Q兩路數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)跳變時(shí)，輸出調(diào)制信號(hào)的相位會(huì)出現(xiàn)π的跳變，其相位變化關(guān)系由圖2(b)給出，信號(hào)在經(jīng)過(guò)限帶后有可能出現(xiàn)包絡(luò)為0的現(xiàn)象，從而使頻譜擴(kuò)展，會(huì)對(duì)相鄰信號(hào)產(chǎn)生干擾。另外在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)恢復(fù)電路中，可能造成本地載波的相位模糊，使解調(diào)后的信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤，還要采取措施消除相位模糊，所以實(shí)際應(yīng)用中較少使用絕對(duì)相移鍵控。在第二代的窄帶CDMA(IS一95)系統(tǒng)中，下行鏈路采用QPSK方式，上行鏈路采用OQPSK方式。

    圖3給出0QPSK的調(diào)制原理。在OQPSK調(diào)制中，輸入的數(shù)據(jù)先做串／并轉(zhuǎn)換，分成I、Q兩路，然后對(duì)Q支路的數(shù)據(jù)延時(shí)半個(gè)碼元周期，后面和QPSK方式一樣。這樣每個(gè)碼元周期內(nèi)I、Q兩路信號(hào)中只可能有一路發(fā)生變化，調(diào)制后信號(hào)的相位跳變不會(huì)出現(xiàn)π相位跳變。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件組成
    (1)核心板核心板主要由一塊DSP組成，采用TI公司的TMS320VC5416。該器件采用增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線(1條程序總線、3條數(shù)據(jù)總線和4條地址總線)，具有功耗小，高度并行等優(yōu)點(diǎn)；片內(nèi)有128 K字節(jié)的ROM，16 K字節(jié)的DARAM，3個(gè)多通道緩沖串口(McBSPs)，加強(qiáng)型的8/16位并行主機(jī)接口(HPI)，16位可編程定時(shí)器，支持外部總線到內(nèi)部存儲(chǔ)器的DMA操作。該器件外圍輸入輸出電平為3．3 V，內(nèi)核電壓為1．8 V。
    (2)電源部分 穩(wěn)壓電源電路采用5 V直流供電，通過(guò)AMSll7電源轉(zhuǎn)換器分別轉(zhuǎn)換成3.3 V和1．8 V。因存在模擬和數(shù)字2種信號(hào)，同時(shí)需要模擬和數(shù)字供電，系統(tǒng)中利用2個(gè)10μH的電感將這2種電源分離，以免產(chǎn)生相互干擾。
    (3)MCU部分 MCU采用STC公司的89LE58RD，其供電電壓為3.3 V，具有32個(gè)I／O引腳，20 K字節(jié)的片內(nèi)ROM，256字節(jié)片內(nèi)RAM。89LE58RD通過(guò)異步串口與PC機(jī)相連，其輸入輸出電平為TTL標(biāo)準(zhǔn)，通信線路上的數(shù)據(jù)信號(hào)采用RS一232C電平標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用MAX202進(jìn)行電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。
    (4)A/D，D／A轉(zhuǎn)換采用D／A和A/D轉(zhuǎn)換器，該模塊選用了ADI公司的AD7303，它是一個(gè)8位雙通道電壓輸出D／A轉(zhuǎn)換器，最高工作時(shí)鐘為30 MHz。AD7303內(nèi)部有1個(gè)16位的移位寄存器、2個(gè)輸入寄存器和2個(gè)D／A轉(zhuǎn)換寄存器。16位移位寄存器的低8位(DB0～DB7)用來(lái)存儲(chǔ)待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，高8位(DB8～DBl5)是控制碼，通過(guò)控制碼選擇通道和不同的數(shù)據(jù)裝載方式，通過(guò)控制位LDC、A／B、CRl和CR0設(shè)置為兩路輸出方式。AD7303采用SPI方式與。DSP的多路緩沖串口(McBSP)相接。
    (5)SRAM 靜態(tài)存儲(chǔ)SRAM采用IS6lLV25616，其速度為10 ns，存儲(chǔ)空間為256 K字節(jié)，供電電壓為3.3 V。
3．2 實(shí)現(xiàn)方案
    圖4給出調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)汁框圖。PC機(jī)為通信終端；單片機(jī)用來(lái)控制數(shù)據(jù)收發(fā)；DSP運(yùn)行QPSK等相關(guān)算法；SRAM用來(lái)存儲(chǔ)算法及相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)重新加電時(shí)，自動(dòng)把程序及相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DSP中。PC機(jī)通過(guò)異步串口連接單片機(jī)，利用串口調(diào)試軟件如“串口調(diào)試助手”，即可與單片機(jī)交換數(shù)據(jù)。單片機(jī)一方面與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，另一方面則直接通過(guò)HPI接口從DSP內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)。這樣DSP與PC機(jī)通信不需花費(fèi)時(shí)間，大大節(jié)省了DSP的資源。DSP利用多通道緩沖串行口McBSP發(fā)送數(shù)據(jù)給D／A轉(zhuǎn)換器，以便在模擬線路上進(jìn)行傳輸。

4 QPSK的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    QPSK信號(hào)可看成是2個(gè)BPSK信號(hào)之和，它有4種不同的初始相位。首先在DSP中產(chǎn)生1個(gè)正弦波，然后從已經(jīng)存入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)中每次讀出2位二進(jìn)制信息，串并轉(zhuǎn)換輸入的二進(jìn)制信息，把偶數(shù)位信息放人數(shù)組I(同相支路)中，奇數(shù)位信息放入數(shù)組Q(正交支路)中，把產(chǎn)生的I、Q兩路的一部分PN碼片分別存儲(chǔ)于DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器，經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制信息與存儲(chǔ)器中的I、Q兩路的。PN碼片分別進(jìn)行模2加運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)短碼擴(kuò)頻，短碼擴(kuò)頻后省去了低通濾波器，可直接正交調(diào)制，設(shè)計(jì)中采用了選相的方式，即根據(jù)擴(kuò)頻后的I、Q兩路的信息進(jìn)行選相。選相時(shí)I、Q的組合采用格雷編碼方式，當(dāng)I=0、Q=0時(shí)選擇初始相位0；當(dāng)I=0、Q=1時(shí)選擇初始相位π/2；當(dāng)I=l、Q=1時(shí)選擇初始相位π；當(dāng)I=1、Q=0時(shí)選擇初始相位3π／2。為保證每個(gè)碼元都能有完整的波形輸出，存儲(chǔ)的正弦波為兩個(gè)周期。1個(gè)周期有64個(gè)點(diǎn)，初始相位為0，相當(dāng)于從第16個(gè)點(diǎn)開(kāi)始連續(xù)讀1個(gè)周期正弦波。圖5是QPSK調(diào)制流程圖，圖6是調(diào)制后的QPSK信號(hào)波形圖，是在CCS仿真軟件中看到的波形圖。圖6中的縱坐標(biāo)為幅度值，單位為mV；橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為μs。

5 結(jié)語(yǔ)
    實(shí)驗(yàn)證明，基帶數(shù)字調(diào)制算法QPSK系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且能提供較高性能。但因缺少射頻模塊及天線，該平臺(tái)不能在無(wú)線信道上調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，這是下一步研究目標(biāo)。