2FSK與QPSK混合調制解調技術(shù)的研究

　　作者/毛昕蓉，陳蓉(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

　　摘要：四相相移鍵控(QPSK)以及頻移鍵控(2FSK)為常用的短距離無(wú)線(xiàn)數字通信制式，憑借良好的抗干擾性能以及簡(jiǎn)單的實(shí)現方式，在通信領(lǐng)域有著(zhù)較為廣泛的應用。QPSK頻譜利用率比較高、抗干擾性強，廣泛應用于各種通訊系統。2FSK實(shí)現方式簡(jiǎn)單，可異步傳輸，抗噪和抗衰減性能好，在中低速數據傳輸中廣泛應用。本文對QPSK與2FSK兩種調制解調技術(shù)進(jìn)行研究，基于二者調制解調原理，介紹一種新穎的調制解調方式，即QPSK與2FSK混合調制解調。對傳統QPSK和2FSK單一調制方式進(jìn)行改良，將信號混合在一起，通過(guò)同一信道同時(shí)發(fā)射，同時(shí)接收解調，提高信道利用率。

　　關(guān)鍵詞：QPSK;2FSK;混合調制

　　1 系統概述

　　雖然數字調制和解調技術(shù)種類(lèi)繁多，但隨著(zhù)現代通信需求的增長(cháng)，人們對調制技術(shù)的抗干擾、天抗衰落、頻譜利用和誤差性能提出了越來(lái)越高的要求。單一的調制解調技術(shù)早已不能夠達到人們的要求，因此本文提出了一種混合調制解調技術(shù)，以滿(mǎn)足現代通訊的需要。

　　本文對傳統的QPSK和2FSK單調制方法進(jìn)行了改進(jìn)，對QPSK和2FSK調制信號進(jìn)行了混合調制。QPSK碼率為2 Mbps，系統時(shí)鐘頻率為16 MHz，在9 dB信噪比情況下誤碼率小于0.1%;2FSK碼率為10 kbps，系統時(shí)鐘頻率為16 MHz，在 9 dB信噪比情況下誤碼率小于0.1%。

　　圖1是發(fā)射機系統的框圖。原始信號分為兩個(gè)信號：輸入1，輸入2，分別進(jìn)行QPSK調制以及2FSK調制。由QPSK調制產(chǎn)生的I路信號與2FSK調制產(chǎn)生的I路信號相互疊加，由QPSK調制產(chǎn)生的Q路信號和2FSK調制生成的Q路信號相互疊加。將得到的兩路信號經(jīng)過(guò)數字上變頻模塊合成一路中頻信號，其載波頻率為4 MHz，混頻后進(jìn)行發(fā)射。

　　圖2為接收機系統框圖。首先將接收到的RF信號經(jīng)ADC采樣量化，使其成為頻率為4 MHz的中頻信號，經(jīng)過(guò)數字下變頻模塊與本振信號相乘，通過(guò)濾波分別獲得I路與Q路的混合信號(此時(shí)的兩路混合信號即為發(fā)射機端的兩路混合信號)，把兩路混合信號分別送入2FSK解調模塊與QPSK解調模塊，根據QPSK和2FSK的特點(diǎn)分別對其做相應的模塊解調工作。

　　2 仿真測量結果

　　2.1 QPSK調制模塊仿真

　　在QPSK發(fā)射機中，信源產(chǎn)生的二進(jìn)制基帶信號經(jīng)過(guò)串并轉換后生成生兩路BPSK信號，然后分別經(jīng)過(guò)雙極性變換和16倍“0”值插值。插值后引入了鏡像頻譜，并且信號的頻帶變窄，如圖3所示。因此要將“0”值插值后的信號通過(guò)低通濾波，濾除鏡像頻譜。低通濾波后，基帶信號的頻域波形如圖4所示：

　　從濾波后的頻域波形中可以發(fā)現，低通濾波器將“0”值插值后信號中產(chǎn)生的鏡像頻帶完全過(guò)濾掉了，只保留了原始基帶信號的頻率信息。這樣就得到了QPSK的基帶調制信號。

　　2.2 2FSK調制模塊仿真

　　圖5所示為20 KHz的正弦NCO和40 KHz正弦NCO的輸出信號接入選通器，生成的2FSK_I路信號，將兩個(gè)頻率的余弦NCO輸出信號接入另一個(gè)選通器，生成2FSK_Q路信號，Q路與I路信號始終有著(zhù)90°相位差，采用這種特殊波形，在碼元相關(guān)時(shí)，一個(gè)周期內只會(huì )生成一個(gè)相關(guān)峰，大大優(yōu)化了峰值檢測和判決的準確度。圖6所示波形為I路的2FSK信號與QPSK信號相加后的波形。

　　2.3 QPSK解調模塊仿真

　　混合信號的頻譜分量包含20 KHz、40 KHz、1 MHz，在發(fā)射端通過(guò)正交上變頻模塊經(jīng)過(guò)4 MHz的上變頻后，頻譜進(jìn)行了4 MHz的搬移，因此在接受端需首先經(jīng)過(guò)4 MHz的下變頻，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)截止頻率為4 MHz的低通濾波器，濾除多余的頻譜分量，便得到了頻譜在0附近的2FSK頻譜分量和QPSK頻譜分量，再經(jīng)過(guò)一個(gè)截止頻率為50 KHz的高通濾波器，我們便能得到僅含QPSK頻率分量的頻譜圖，從而濾掉2FSK進(jìn)行QPSK的解調。

　　在QPSK解調中，我們采取星座圖解調的方法，首先進(jìn)行兩個(gè)16 bit的前頭碼相關(guān)，找到相關(guān)峰后如圖7，便可以確定信號的起始位置建立新的星座圖坐標系如圖8所示。

　　2.4 2FSK接收機系統定點(diǎn)仿真

　　正交解調后，我們將2FSK信號進(jìn)行了40倍抽取，這樣是為了降低采樣頻率和采樣點(diǎn)數，降低數據處理量。對I路與Q路信號分別進(jìn)行碼元“0”和碼元“1”相關(guān)，相關(guān)后求平方和，從而得到數值為正的相關(guān)峰。進(jìn)行相關(guān)后的波形如圖9、10所示。圖中很容易看出兩種符號相關(guān)后的波形存在類(lèi)似于“互補”狀態(tài)的幅值，每個(gè)相關(guān)峰對應檢測出一個(gè)2FSK數據，最終解調得到2FSK波形。

　　2.5 混合調制模式下性能測試

　　在通信過(guò)程中，難免會(huì )引入噪聲，白噪聲是通信中經(jīng)常遇到的噪聲中的一種，在噪聲的干擾下，會(huì )影響通信系統的有效性和可靠性，因此需要進(jìn)行性能評估。根據系統性能要求，對噪聲從0 dB~11 dB進(jìn)行測試，找到誤碼率達到千分之一以下時(shí)的信噪比。如圖為誤碼率曲線(xiàn)：

　　從圖中可以發(fā)現QPSK在8 dB時(shí)，誤碼率為千分之 一，達到誤碼要求;2FSK誤碼率在8 dB時(shí)低于千分之一，滿(mǎn)足系統要求。

　　3 結論

　　本文對傳統的2FSK和QPSK單一調制方式進(jìn)行了深入學(xué)習和改進(jìn)，將兩種調制信號進(jìn)行混合，在同一信道完成同時(shí)接收和解調，實(shí)現了QPSK與2FSK混合調制解調，提升了傳輸信道的頻帶利用效率。另外，本文為實(shí)現其它混合模式的調制奠定基礎，相信在不久的將來(lái)會(huì )有更多的混合調制涌現。

　　參考文獻

　　[1]張輝,曹麗娜.現代通信原理與技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

　　[2]李亞南.數字調制識別算法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué), 2013.

　　[3]應亞萍,許建鳳,陳婉君.2FSK調制解調系統的FPGA設計與實(shí)現[J].浙江:浙江工業(yè)大學(xué),2010.

　　[4]王甲琛.基于FPGA的DPSK調制解調技術(shù)的設計與實(shí)現[D].西安:西安電子科技大學(xué), 2010.

　　[5]張志民.數字通信信號調制方式自動(dòng)識別研究及實(shí)現[D].長(cháng)沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

　　[6]雷雪梅,呂鏡清,楊萬(wàn)麟,等.FSK/PSK混合調制多參數估計[J].電子信息對抗技術(shù),2009(24):9-13.

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處