基于FPGA的北斗QPSK調(diào)制實現(xiàn)與解調(diào)驗證

摘要 為研制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號源，設(shè)計實現(xiàn)了北斗QPSK信號調(diào)制器。文中在分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻段信號的正交相移鍵控調(diào)制信號的基礎(chǔ)上，基于軟件無線電的思想，在FPGA硬件平臺上實現(xiàn)了QPSK信號調(diào)制器，通過功率譜測試，QPSK解調(diào)和簡單串口信息傳輸，驗證了調(diào)制解調(diào)硬件單元的正確性。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation SatelliteSystem)是我國正在實施的自主研發(fā)、完全獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號采用正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，降低了信號間的相互干擾，改善了定位性能，成為目前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的方向之一。因此對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的需求日益增加，為了測試驗收高性能衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的靜態(tài)性能及動態(tài)性能，需要模擬產(chǎn)生北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在各種環(huán)境下的真實衛(wèi)星信號。

目前，針對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)模擬信號源的研究較少，可參考GPS和GLONASS模擬信號源的研究，分析各個導(dǎo)航系統(tǒng)之間的差別，找到合適的研究方案。文獻分析了GLONASS信號的結(jié)構(gòu)特點，研究了復(fù)雜環(huán)境下GLONASS導(dǎo)航信號的產(chǎn)生，文獻針對GPS信號模擬源的算法進行研究，并通過FPGA實現(xiàn)模擬源的產(chǎn)生，文獻分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航B1頻段信號的結(jié)構(gòu)，并用Simulink平臺實現(xiàn)了信號模擬。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已于2011年12月進入試運行階段，并于2012年12月公布了空間信號接口控制文件(Interface Control Document，ICD)。本文針對ICD文件中北斗B1頻段的QPSK調(diào)制信號進行結(jié)構(gòu)分析，采用軟件無線電的方法來研究QPSK信號的調(diào)制解調(diào)，分析QPSK信號調(diào)制解調(diào)的原理，利用FPGA仿真實現(xiàn)QPSK信號的調(diào)制解調(diào)，同時在射頻輸出端觀察調(diào)制信號的功率密度譜。

1 北斗B1頻段信號特征

北斗B1頻段信號由兩個支路的“測距碼+導(dǎo)航電文”正交調(diào)制在載波上構(gòu)成。信號表達(dá)式如下

式中，j表示衛(wèi)星編號;AI、AQ分別表示調(diào)制于B1頻段載波同相、正交相支路的測距碼振幅;CI、CQ分別表示同相、正交相支路的測距碼;DI、DQ分別表示同相、正交相支路測距碼上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼;f表示B1頻段載波頻率;φI、φQ分別表示B1頻段載波同相、正交相支路的初相。

根據(jù)北斗B1頻段信號QPSK調(diào)制方式的特點以及上式所示的信號結(jié)構(gòu)，可知北斗B1頻段每顆衛(wèi)星均有一對獨特的測距碼，兩者彼此不相關(guān)且正交，接收到同一顆衛(wèi)星信號的兩個支路受各種因素影響所導(dǎo)致的碼延遲、多普勒頻移等均相同。

2 北斗信號的QPSK調(diào)制

在“北斗二號”系統(tǒng)中，采用正交相移鍵控，QPSK，QPSK調(diào)制技術(shù)的核心思想是兩個載波正交BPSK信號的合成，即將一個比特流的每一個四進制碼元用兩個二進制碼元的組合來表示，兩個二進制碼元中的前一個碼元用I表示，后一個碼元用Q表示。由于在一個調(diào)制符號中傳輸2 Byte，QPSK調(diào)制比BPSK調(diào)制的帶寬效率高一倍。載波的相位為4個間隔相等的值：π/4，3π/4，5π/4，7π/4。這種調(diào)制方式使同一載波每次可傳輸2 Byte信息，從而使載波的頻帶利用率比BPSK提高了1倍，同時抗干擾性更強。

對QPSK調(diào)制后的數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，選取50位數(shù)據(jù)，通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，加入QPSK調(diào)制技術(shù)后，原測距碼的自相關(guān)曲線發(fā)生了變化。在QPSK調(diào)制下的測距碼，除了存在一個明顯的高峰外，還具有兩個比較明顯的次高峰，分別位于靠近主峰的左右兩側(cè)。

3 北斗B1頻段信號的模擬

北斗B1頻段數(shù)字信號生成首先按照固定的采樣時間間隔，也就是固定的采樣頻率(采樣頻率取1 561.098 MHz)，加入衛(wèi)星的初始相位和多普勒頻移，生成中頻載波信號;然后將經(jīng)過QPSK調(diào)制方式調(diào)制的測距碼和北斗導(dǎo)航電文調(diào)制到載波上疊加。如果是MEO/IGSO的衛(wèi)星需要在導(dǎo)航電文中在調(diào)制20位的NH碼。每顆衛(wèi)星的測距碼和導(dǎo)航電文都不同，因此應(yīng)該對每顆衛(wèi)星的信號進行疊加，接著對多衛(wèi)星信號的每顆衛(wèi)星信號加入預(yù)設(shè)的強度，可設(shè)定的高斯白噪聲，最后設(shè)定好模擬時長，將信號數(shù)據(jù)通過工作站儲存模塊導(dǎo)入到工作站保存。

4 FPGA仿真實現(xiàn)QPSK調(diào)制解調(diào)

QPSK調(diào)制對輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)內(nèi)插、成形濾波和并串轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)正交調(diào)制后即得到已調(diào)QPSK信號。內(nèi)插有助于對基帶信號進行波形成形，可以通過重復(fù)現(xiàn)存采樣點或者插入零脈沖來實現(xiàn)，成形濾波器的作用是消除碼間干擾和頻譜擴散。QPSK解調(diào)對基帶信號進行抽取、CIC濾波和Costas環(huán)載波同步后，再經(jīng)過解調(diào)得到輸出數(shù)據(jù)。采用多級CIC濾波器級聯(lián)來實現(xiàn)較大的阻帶衰減，Costas環(huán)來估計和校正解調(diào)過程中的多普勒頻移。在整個設(shè)計方案中，數(shù)字調(diào)制解調(diào)算法在FPGA中完成。FPGA硬件框圖如圖4所示，系統(tǒng)原理方案如圖5所示。

圖5中CIC濾波器即級聯(lián)積分器梳狀(Cascade Integrator Comb，CIC)濾波器，濾波器的沖擊響應(yīng)如下形式

調(diào)制部分，數(shù)據(jù)通過串口輸入，產(chǎn)生寬度為8 bit的并行數(shù)據(jù)流，然后分成I，Q兩路數(shù)據(jù)流，經(jīng)過補零內(nèi)插，成形濾波和數(shù)據(jù)位截短后，通過并串轉(zhuǎn)換，再通過DDS模塊生成基帶QPSK調(diào)制信號。調(diào)制輸出數(shù)據(jù)的速率是128 kbit·s-1，而實現(xiàn)DDS的器件AD9857中設(shè)定輸入數(shù)據(jù)速率是1 Mbit·s-1，為使兩者速率匹配，設(shè)計中采用內(nèi)插方法來實現(xiàn)。在內(nèi)插模塊的設(shè)計中，采用最簡單的實現(xiàn)方法，即在數(shù)據(jù)之間插零。零的個數(shù)N由內(nèi)插前后數(shù)據(jù)的速率決定，設(shè)計中N=7。內(nèi)插模塊通過數(shù)據(jù)鎖存器和計數(shù)器實現(xiàn)。在內(nèi)插模塊設(shè)計中，由于采用了“插零”處理，導(dǎo)致碼間干擾和帶外輻射增大，為減小這些對信號解調(diào)的影響，設(shè)計采用成型濾波器。并串轉(zhuǎn)換模塊通過4級鎖位寄存器實現(xiàn)，并行16位的輸人數(shù)據(jù)按照并行4位的格式串行輸入到DDS。

在解調(diào)部分，通過NCO進行數(shù)字下變頻，經(jīng)過抽取，CIC濾波器進行濾波，Costas環(huán)進行載波同步，最后解調(diào)處數(shù)據(jù)，通過串口輸出顯示。數(shù)字下變頻模塊主要由NCO和混頻器組成?；祛l器為8位乘法器，采用Ahera提供的宏功能模塊LPM_MULT，將數(shù)據(jù)鎖存模塊輸出的8位數(shù)據(jù)與分別NCO輸出的正交載波進行相乘，乘積結(jié)果為一有符號的16位數(shù)據(jù)。為防止乘法器輸出數(shù)據(jù)在后面模塊運算處理中發(fā)生溢出，同樣在設(shè)計中對數(shù)據(jù)進行了截短處理。CIC濾波器采用三級8倍抽取的積分濾波器與梳狀濾波器并聯(lián)。Costas環(huán)來估計和校正解調(diào)過程中的多普勒頻移。

在測試部分，串口輸入數(shù)據(jù)是1234FA42342343，串口輸出12 34 FA 42 34 23 43，說明了QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的正確性。同時，通過頻譜儀對設(shè)計的QPSK調(diào)制信號進行觀察，F(xiàn)PGA開發(fā)板射頻端口輸出1 561.020 MHz的射頻信號，證明生成的QPSK調(diào)制信號在頻率特性、頻譜特性上符合系統(tǒng)設(shè)計要求，從而證明了調(diào)制信號的正確性，功率密度譜如圖8所示。

5 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是B1頻段信號，是未來民用的主要信號，因此，頻段信號成為研究熱點，而市場對北斗接收機的需求也會越來越多。為了測試北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的性能，則需要模擬北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在各種環(huán)境下的真實衛(wèi)星信號。本文針對北斗信號QPSK調(diào)制信號的結(jié)構(gòu)特點，分析了QPSK調(diào)制解調(diào)的原理，并結(jié)合軟件無線電的方法，通過FPGA驗證了系統(tǒng)的可行性和正確性。