基于DSP的QPSK調(diào)制器的設(shè)計(jì)

四相相移鍵控調(diào)制（Quaternary Phase Shift Keying，QPSK）是一種線性窄帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它已經(jīng)在數(shù)字調(diào)制技術(shù)中占有重要的地位，被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、視頻會(huì)議系統(tǒng)、蜂窩電話和其它數(shù)字通信領(lǐng)域。具有頻帶利用率高、頻譜特性好、抗衰落性能強(qiáng)、較低的比特錯(cuò)誤率等優(yōu)點(diǎn)。

　　DSP技術(shù)主要是指將DSP的基本理論和算法付諸實(shí)現(xiàn)的途徑和方法。傳統(tǒng)的DSP技術(shù)是當(dāng)前廣泛使用的DSP處理器的解決方案，而這種解決方案日益面臨著不斷增加的巨大挑戰(zhàn)，自身的技術(shù)瓶頸導(dǎo)致這種解決方案在DSP許多新的應(yīng)用領(lǐng)域中的道路越走越窄。而現(xiàn)代DSP技術(shù)是相對(duì)于傳統(tǒng)DSP技術(shù)而言的，是基于可編程片上系統(tǒng)SOPC（System ON a Programmable Chip）技術(shù)、EDA技術(shù)與FPGA實(shí)現(xiàn)方式的DSP技術(shù)，是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它有效地克服了傳統(tǒng)DSP技術(shù)中的許多瓶頸，在許多方面顯示了突出的優(yōu)勢(shì)，如高速與實(shí)時(shí)性，高可靠性，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)化，系統(tǒng)的重配置與硬件可重構(gòu)性，單片DSP系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性以及開發(fā)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和高效率。QPSK設(shè)計(jì)采用MATLAB／Simulink DSP Builder開發(fā)出用于QPSK調(diào)制的正交信號(hào)產(chǎn)生單元，在電路模塊的形成方式上用DSP Builder的模塊調(diào)用代替繁瑣的VHDL程序，從而方便的得到了所需的結(jié)果。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以FPGA為物理載體，與傳統(tǒng)的基于硬件描述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)相比，這種流程更快捷方便靈活。

　　1 QPSK調(diào)制原理

　　所謂的QPSK調(diào)制就是利用載波的四種不同相位來(lái)表征數(shù)字信息，每一種載波相位代表兩個(gè)二進(jìn)制代碼元信息。由于每一個(gè)載波相位代表兩個(gè)二進(jìn)制碼元信息，所以每四個(gè)二進(jìn)制碼元又被稱為雙比*元。

　　QPSK信號(hào)的表示式為

　　其中，A為載波振幅，wc為載波角頻率，θi為載波相位。

　　若，則QPSK信號(hào)的初始相位為0，若，則QPSK信號(hào)的初始相位為π/4。

　　將式（1）寫成

　　I（t），Q（t）為+1或-1。則式（3）即為QPSK的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

　　QPSK信號(hào)的調(diào)制可分為相位選擇法和調(diào)相法，本文采用調(diào)相法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其調(diào)制框圖如下圖1所示。

圖1 QPSK調(diào)相法調(diào)制框圖

　　圖1中，串／并變換器將輸入的二進(jìn)制序列依次分為兩個(gè)并行的雙極性碼序列。設(shè)二進(jìn)制數(shù)分別為a和b。雙極性的a和b脈沖通過(guò)兩個(gè)平衡調(diào)制器分別對(duì)同相載波和正交載波進(jìn)行二相調(diào)制，兩路輸出疊加后就可以得到QPSK信號(hào)。

　　2 基于DSP Buildter的QPSK設(shè)計(jì)

　　DSP Builder可完成圖形化的系統(tǒng)建模、設(shè)計(jì)、仿真、把設(shè)計(jì)軟件下載到FPGA開發(fā)板上。它是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的開發(fā)工具，架構(gòu)在多個(gè)軟件之上，并把系統(tǒng)級(jí)和RTL級(jí)兩個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工具連接起來(lái)，最大程度的發(fā)揮了兩種工具的優(yōu)勢(shì)。DSP Builder依賴MathWorks公司的數(shù)學(xué)分析工具M(jìn)atlab／Simulink，以Simulink的Blockset出現(xiàn)，可以在Simulink中進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和仿真，同時(shí)通過(guò)SignalCompiler可以把Matlab ／Simulink的設(shè)計(jì)文件（.mdl）轉(zhuǎn)成相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言VHDL設(shè)計(jì)文件（.vhd），以及用于控制綜合與編譯的TCL腳本。而對(duì)后者的處理可以由FPGA／CPLD開發(fā)工具QuartusⅡ來(lái)完成。

　　研究采用QuartusII6.1、DSP Builder6.1和Madab Rb2006作為FPGA的設(shè)計(jì)及測(cè)試平臺(tái)。因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以很方便的調(diào)用DSP-Bbuilder和Simulink庫(kù)中的圖形模塊來(lái)建立硬件模型，輸入信號(hào)也可方便的調(diào)用Simulink模塊。依據(jù)QPSK的基本原理，可以快速的建立QPSK模型。要完成QPSK的建模，首先打開MATLAB，在命令窗口輸入“Simulink”進(jìn)入圖形化仿真建模環(huán)境，新建一個(gè)仿真模型。依照?qǐng)D1的原理圖設(shè)計(jì)，建立模型如圖2所示。

圖2 QPSK調(diào)制系統(tǒng)的整體模型

　　圖2中，由頻率字、延時(shí)器、加法器和兩個(gè)LUT組成正交信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生兩個(gè)正交的載波信號(hào)。隨機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器形成數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)椴⑿行盘?hào)，再經(jīng)過(guò)多路選擇器模塊輸出+1和-1，然后和正交信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正交載波信號(hào)相乘，最后在加法器中進(jìn)行相加實(shí)現(xiàn)QPSK調(diào)制。

　　3 系統(tǒng)仿真與硬件測(cè)試

　　3.1 系統(tǒng)仿真

　　完成整個(gè)設(shè)計(jì)后，設(shè)置仿真時(shí)間，開始仿真。設(shè)置Simulink的仿真停止時(shí)間為2 000，仿真步進(jìn)設(shè)為自動(dòng)。仿真結(jié)果如圖3，圖中前兩欄為正交波信號(hào)，最后一欄為QPSK已調(diào)信號(hào)。

圖3 QPSK仿真波形

　　3.2 硬件測(cè)試

　　在Simulink中完成仿真驗(yàn)證后，需要把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到硬件上去實(shí)現(xiàn)。這是整個(gè)DSP Builder設(shè)計(jì)流程中最為關(guān)鍵的一步，可獲得對(duì)特定FIGA芯片的VHDL代碼。雙擊QPSK模型中的SignalCompiler，點(diǎn)擊分析按鈕，檢查模型無(wú)錯(cuò)誤后，打開SignalCompiler窗口，在圖中設(shè)置好相應(yīng)項(xiàng)后，依次點(diǎn)擊1、2、3 3個(gè)按鈕，逐項(xiàng)執(zhí)行VHDL文件轉(zhuǎn)換、綜合、適配，即可將。mdl文件轉(zhuǎn)換為.vhd文件。同時(shí)，在工作目錄生成的文件中有tb_qpsk.tcl和tb_qpsk.v文件.tb_qpsk.v文件是在QuartusII中要用到的工程文件，tb_qpsk.tcl文件是要在Modesim進(jìn)行RTL級(jí)仿真用到的測(cè)試代碼。仿真完成后，在QuartusII中指定器件管腳、進(jìn)行編譯、下載。最后進(jìn)行硬件的下載，連接好FPGA開發(fā)板即可。本文采用的硬件是Cyclone系列芯片EP2C35F672C6N。圖4是在QuartusII中QPSK的已調(diào)波形，與仿真波形基本一致。由圖可以看出，有4個(gè)相位跳變點(diǎn)，正確地反映了QPSK調(diào)制的特點(diǎn)。

圖4 QPSK的已調(diào)波形

　　4 結(jié)論

　　本文利用了現(xiàn)代DSP技術(shù)的功能，在Simulink的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了QPSK的建模，給出了具體模型，從而避免了VHDL程序的編制，縮短了周期，提高了效率。采用該法，極大地提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性。仿真結(jié)果和硬件實(shí)現(xiàn)都驗(yàn)證了該方案的正確性。