基于FPGA的北斗Q(chēng)PSK調制實(shí)現與解調驗證

摘要 為研制北斗衛星導航模擬信號源，設計實(shí)現了北斗QPSK信號調制器。文中在分析了北斗衛星導航系統B1頻段信號的正交相移鍵控調制信號的基礎上，基于軟件無(wú)線(xiàn)電的思想，在FPGA硬件平臺上實(shí)現了QPSK信號調制器，通過(guò)功率譜測試，QPSK解調和簡(jiǎn)單串口信息傳輸，驗證了調制解調硬件單元的正確性。

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

目前，針對北斗導航系統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(gè)導航系統之間的差別，找到合適的研究方案。文獻分析了GLONASS信號的結構特點(diǎn)，研究了復雜環(huán)境下GLONASS導航信號的產(chǎn)生，文獻針對GPS信號模擬源的算法進(jìn)行研究，并通過(guò)FPGA實(shí)現模擬源的產(chǎn)生，文獻分析了北斗衛星導航B1頻段信號的結構，并用Simulink平臺實(shí)現了信號模擬。

北斗導航系統已于2011年12月進(jìn)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調制信號進(jìn)行結構分析，采用軟件無(wú)線(xiàn)電的方法來(lái)研究QPSK信號的調制解調，分析QPSK信號調制解調的原理，利用FPGA仿真實(shí)現QPSK信號的調制解調，同時(shí)在射頻輸出端觀(guān)察調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(gè)支路的“測距碼+導航電文”正交調制在載波上構成。信號表達式如下

式中，j表示衛星編號;AI、AQ分別表示調制于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制的數據碼;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。

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

2 北斗信號的QPSK調制

在“北斗二號”系統中，采用正交相移鍵控，QPSK，QPSK調制技術(shù)的核心思想是兩個(gè)載波正交BPSK信號的合成，即將一個(gè)比特流的每一個(gè)四進(jìn)制碼元用兩個(gè)二進(jìn)制碼元的組合來(lái)表示，兩個(gè)二進(jìn)制碼元中的前一個(gè)碼元用I表示，后一個(gè)碼元用Q表示。由于在一個(gè)調制符號中傳輸2 Byte，QPSK調制比BPSK調制的帶寬效率高一倍。載波的相位為4個(gè)間隔相等的值：π/4，3π/4，5π/4，7π/4。這種調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(shí)抗干擾性更強。

對QPSK調制后的數據進(jìn)行相關(guān)運算，選取50位數據，通過(guò)仿真結果可以發(fā)現，加入QPSK調制技術(shù)后，原測距碼的自相關(guān)曲線(xiàn)發(fā)生了變化。在QPSK調制下的測距碼，除了存在一個(gè)明顯的高峰外，還具有兩個(gè)比較明顯的次高峰，分別位于靠近主峰的左右兩側。

3 北斗B1頻段信號的模擬

北斗B1頻段數字信號生成首先按照固定的采樣時(shí)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(guò)QPSK調制方式調制的測距碼和北斗導航電文調制到載波上疊加。如果是MEO/IGSO的衛星需要在導航電文中在調制20位的NH碼。每顆衛星的測距碼和導航電文都不同，因此應該對每顆衛星的信號進(jìn)行疊加，接著(zhù)對多衛星信號的每顆衛星信號加入預設的強度，可設定的高斯白噪聲，最后設定好模擬時(shí)長(cháng)，將信號數據通過(guò)工作站儲存模塊導入到工作站保存。

4 FPGA仿真實(shí)現QPSK調制解調

QPSK調制對輸入數據流經(jīng)內插、成形濾波和并串轉換后，再經(jīng)正交調制后即得到已調QPSK信號。內插有助于對基帶信號進(jìn)行波形成形，可以通過(guò)重復現存采樣點(diǎn)或者插入零脈沖來(lái)實(shí)現，成形濾波器的作用是消除碼間干擾和頻譜擴散。QPSK解調對基帶信號進(jìn)行抽取、CIC濾波和Costas環(huán)載波同步后，再經(jīng)過(guò)解調得到輸出數據。采用多級CIC濾波器級聯(lián)來(lái)實(shí)現較大的阻帶衰減，Costas環(huán)來(lái)估計和校正解調過(guò)程中的多普勒頻移。在整個(gè)設計方案中，數字調制解調算法在FPGA中完成。FPGA硬件框圖如圖4所示，系統原理方案如圖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，濾波器的沖擊響應如下形式

調制部分，數據通過(guò)串口輸入，產(chǎn)生寬度為8 bit的并行數據流，然后分成I，Q兩路數據流，經(jīng)過(guò)補零內插，成形濾波和數據位截短后，通過(guò)并串轉換，再通過(guò)DDS模塊生成基帶QPSK調制信號。調制輸出數據的速率是128 kbit·s-1，而實(shí)現DDS的器件AD9857中設定輸入數據速率是1 Mbit·s-1，為使兩者速率匹配，設計中采用內插方法來(lái)實(shí)現。在內插模塊的設計中，采用最簡(jiǎn)單的實(shí)現方法，即在數據之間插零。零的個(gè)數N由內插前后數據的速率決定，設計中N=7。內插模塊通過(guò)數據鎖存器和計數器實(shí)現。在內插模塊設計中，由于采用了“插零”處理，導致碼間干擾和帶外輻射增大，為減小這些對信號解調的影響，設計采用成型濾波器。并串轉換模塊通過(guò)4級鎖位寄存器實(shí)現，并行16位的輸人數據按照并行4位的格式串行輸入到DDS。

在解調部分，通過(guò)NCO進(jìn)行數字下變頻，經(jīng)過(guò)抽取，CIC濾波器進(jìn)行濾波，Costas環(huán)進(jìn)行載波同步，最后解調處數據，通過(guò)串口輸出顯示。數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，將數據鎖存模塊輸出的8位數據與分別NCO輸出的正交載波進(jìn)行相乘，乘積結果為一有符號的16位數據。為防止乘法器輸出數據在后面模塊運算處理中發(fā)生溢出，同樣在設計中對數據進(jìn)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(lái)估計和校正解調過(guò)程中的多普勒頻移。

在測試部分，串口輸入數據是1234FA42342343，串口輸出12 34 FA 42 34 23 43，說(shuō)明了QPSK調制解調系統的正確性。同時(shí)，通過(guò)頻譜儀對設計的QPSK調制信號進(jìn)行觀(guān)察，FPGA開(kāi)發(fā)板射頻端口輸出1 561.020 MHz的射頻信號，證明生成的QPSK調制信號在頻率特性、頻譜特性上符合系統設計要求，從而證明了調制信號的正確性，功率密度譜如圖8所示。

5 結束語(yǔ)

北斗衛星導航系統，特別是B1頻段信號，是未來(lái)民用的主要信號，因此，頻段信號成為研究熱點(diǎn)，而市場(chǎng)對北斗接收機的需求也會(huì )越來(lái)越多。為了測試北斗衛星導航接收機的性能，則需要模擬北斗衛星導航系統在各種環(huán)境下的真實(shí)衛星信號。本文針對北斗信號QPSK調制信號的結構特點(diǎn)，分析了QPSK調制解調的原理，并結合軟件無(wú)線(xiàn)電的方法，通過(guò)FPGA驗證了系統的可行性和正確性。