基于VHDL的4PSK的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言
    實(shí)際通信中的許多信道都不能直接傳送基帶信號(hào)，必須使用基帶信號(hào)控制載波波形的某些參量，使得這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化，即正弦載波調(diào)制。數(shù)字通信系統(tǒng)有二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制兩種方式。而后者比前者具有以下特點(diǎn)：相同碼元傳輸率下，多進(jìn)制系統(tǒng)信息傳輸率高；相同信息速率下，多進(jìn)制信號(hào)碼元的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此碼元能量增加，抑制信號(hào)特性引起的碼間干擾。
    這里是利用層次化、模塊化和參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，通過MAX+PUSSⅡ軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制MPSK(M—ary Phase—Shift Keying)中的四相制4PSK(4一ary Phase—Shift Keying)的調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)。

2 4PSK調(diào)制解調(diào)原理
    多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相調(diào)制，它是利用載波的多種不同相位來表征數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式。多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制有絕對(duì)相位調(diào)制和相對(duì)相位調(diào)制兩種。本設(shè)計(jì)是4進(jìn)制絕對(duì)相位調(diào)制4PSK。4PSK的基帶信號(hào)只有“0”、“1”、“2”、“3”四個(gè)電平值，在π／4體系的調(diào)制方式下，其調(diào)制信號(hào)所對(duì)應(yīng)的相位分別為45°、135°、225°、315°。其典型波形如圖1所示。4PSK的產(chǎn)生方法有直接調(diào)相法和相位選擇法。對(duì)于可編程邏輯器件，利用直接調(diào)相法產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)時(shí)，相對(duì)運(yùn)算量較大，因此選用相位選擇法。圖2為4PSK相位選擇調(diào)制原理圖。

    利用基帶信號(hào)控制4個(gè)不同開關(guān)，選通不同的載波通路。當(dāng)基帶信號(hào)是“0”時(shí)，選通通路0，且關(guān)閉其他3個(gè)通路，使得調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的載波的相位為45°。同理基帶信號(hào)分別是“1”、“2”、“3”時(shí)，調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的載波相位分別為135°、225°、315°。
    對(duì)于4PSK的解調(diào)，采用相位判別法，在調(diào)制信號(hào)中檢測(cè)出相位變化的位置，隨后根據(jù)起始相位對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)中心位置的距離辨別出相位數(shù)值，再利用載波和基帶信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，解調(diào)出基帶信號(hào)。

3 功能模塊設(shè)計(jì)
3．1 載波信號(hào)的產(chǎn)生
    若利用級(jí)數(shù)計(jì)算方法產(chǎn)生正弦載波，則計(jì)算量較大。因此這里采用查表法產(chǎn)生正弦載波，即將一個(gè)周期的正弦波通過100點(diǎn)采樣得到時(shí)域離散信號(hào)，并存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，若產(chǎn)生一個(gè)周期的正弦波，可依次讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。若每一個(gè)不同相位的載波信號(hào)都利用查表法產(chǎn)生。則需存儲(chǔ)400個(gè)數(shù)據(jù)，因此需占用大量硬件資源。起始相位為0°的載波對(duì)應(yīng)100個(gè)采樣信號(hào)，而經(jīng)過計(jì)算可知。起始相位為45°的載波是在起始相位為0°的載波采樣信號(hào)基礎(chǔ)上延遲13個(gè)采樣點(diǎn)。同理可得：起始相位為135°、225°、315°的載波是在起始相位為0°的載波采樣信號(hào)基礎(chǔ)上分別延遲38、63、88個(gè)采樣點(diǎn)。圖3為調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的程序流程。

    利用100進(jìn)制的計(jì)算器循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)每完成計(jì)數(shù)100后，就產(chǎn)生一個(gè)周期的載波。對(duì)應(yīng)基帶信號(hào)為“0”時(shí)，在計(jì)數(shù)結(jié)果的基礎(chǔ)加13作為載波采樣信號(hào)的存儲(chǔ)地址，產(chǎn)生的存儲(chǔ)地址等于高于100時(shí)，將產(chǎn)生的存儲(chǔ)地址減去100，所以基帶信號(hào)為“0”時(shí)，相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址是從13～99，隨后再?gòu)?~12，這樣就完成一個(gè)100個(gè)采樣數(shù)值的輸出，相應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)初始相位為45°的載波周期信號(hào)。同理可產(chǎn)生其他基帶信號(hào)相對(duì)應(yīng)的載波產(chǎn)生，其唯一差別就是在計(jì)數(shù)結(jié)果的基礎(chǔ)上另加的數(shù)值不同。
3．2 解調(diào)
    因?yàn)?PSK調(diào)制信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的不同基帶信號(hào)的相位也不同，所以需判斷調(diào)制信號(hào)的起始相位。因?yàn)榭删幊踢壿嬈骷荒軐?shí)現(xiàn)負(fù)電平，所以該設(shè)計(jì)是以8位數(shù)字信號(hào)的中值127作為基準(zhǔn)電平。判別調(diào)制信號(hào)的初始相位時(shí)，存儲(chǔ)連續(xù)的載波數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)流之間的關(guān)系判斷出相位變化以及相位變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的載波幅度。相位變化出現(xiàn)的位置有2種：第1種是載波幅度值出現(xiàn)極值，但是前后載波數(shù)據(jù)流代表幅度值變化很小，相對(duì)于8位數(shù)據(jù)而言小于10個(gè)量化單位，但是變化的位置不是在幅度的最大值和最小值，在基帶信號(hào)從“O”到“1”和從“2”到“3”的兩種情況下都會(huì)出現(xiàn)相位變化；第2種是載波的幅度值跳變很大，相對(duì)于8位數(shù)據(jù)而言大于20個(gè)量化單位，在基帶信號(hào)從“1”到“3”和從“2”到“0”的兩種情況下都會(huì)出現(xiàn)相位變化。當(dāng)判別出相位變化的位置時(shí)，存儲(chǔ)相位變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的載波數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是初始相位的載波數(shù)據(jù)幅度值，但此時(shí)還不能判斷出具體的初始相位，因?yàn)槿?5°和135°的載波幅度值是相等的，當(dāng)?shù)玫捷d波幅度值后，再根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，如果幅度具有增加趨勢(shì)，則是45°，如果幅度具有減小趨勢(shì)，則是135°。其解調(diào)過程的程序流程如圖4所示。

4 整體模塊設(shè)計(jì)
    在4PSK調(diào)制和解調(diào)的整體設(shè)計(jì)中，主要包含M序列產(chǎn)生器(M_SEOUENCE)、調(diào)制模塊(MODULATION)和解調(diào)模塊(DEMODUIATION)3個(gè)模塊，如圖5所示。其中，M序列產(chǎn)生器產(chǎn)生2位的隨機(jī)序列作為基帶信號(hào)，便于仿真和調(diào)試時(shí)波形分析；調(diào)制模塊輸入信號(hào)為基帶信號(hào)和載波信號(hào)，根據(jù)基帶信號(hào)的變化改變載波信號(hào)的頻率，產(chǎn)生4PSK的調(diào)制信號(hào)；解調(diào)模塊根據(jù)輸入的4PSK信號(hào)的半個(gè)周期所含脈沖數(shù)判斷其對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)，最終解調(diào)出4PSK對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)。圖6為整體模塊的仿真圖。

5 結(jié)束語(yǔ)
    整體模塊設(shè)計(jì)方案采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便；而載波產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)采用查表法，減少計(jì)算量；調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)則是利用采樣間隔變化而不是直接存儲(chǔ)不同頻率的正弦波數(shù)據(jù)，節(jié)約存儲(chǔ)空間。本文提出的4PSK信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)的設(shè)計(jì)方案通過軟件平臺(tái)仿真，說明結(jié)果是正確的。