基于FPGA的QPSK及OQPSK信號調制和解調電路設計

　　0 引言

　　調制識別技術(shù)在軍事、民用領(lǐng)域都有十分廣泛的應用價(jià)值，近年來(lái)一直受到人們的關(guān)注。隨著(zhù)更多調制方式的使用，調制識別技術(shù)也在不斷向前發(fā)展，并應用于各個(gè)領(lǐng)域。

　　數字調制信號又稱(chēng)為鍵控信號，調制過(guò)程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進(jìn)行調制。這種調制的最基本方法有3種：振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)。根據所處理的基帶信號的進(jìn)制不同，它們可分為二進(jìn)制和多進(jìn)制調制(M進(jìn)制)。多進(jìn)制數字調制與二進(jìn)制相比，其頻譜利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多進(jìn)制相移鍵控)中應用較廣泛的一種調制方式。交錯正交相移鍵控(OQPSK)是繼QPSK之后發(fā)展起來(lái)的一種恒包絡(luò )數字調制技術(shù)，是QPSK的一種改進(jìn)形式，也稱(chēng)為偏移四相相移鍵控(offset-QPSK)技術(shù)。為此，本文研究了基于FPGA的QPSK以及OQPSK的調制解調電路的實(shí)現方法，并給出了其在QuartusII環(huán)境下的仿真結果。

　　1 QPSK的調制與解調

　　QPSK信號有00、01、10、11四種狀態(tài)。它對輸入的二進(jìn)制序列首先必須進(jìn)行分組，每?jì)晌淮a元一組。然后根據組合情況，用載波的四種相位表征它們。QPSK信號實(shí)際上是兩路正交雙邊帶信號，可由圖1所示的方法產(chǎn)生。

　　由于QPSK信號是兩個(gè)正交的2PSK信號的合成，所以，可仿照2PSK信號的相平解調法，用兩個(gè)正交的相干載波分別檢測A和B兩個(gè)分量，然后將其還原成串行二進(jìn)制數字信號，以完成QPSK信號的解調。其解調過(guò)程如圖2所示。

　　圖3所示是QPSK在QuartusII環(huán)境下的調制和解調仿真結果。

　　2 OQPSK的調制與解調

　　交錯正交相移鍵控(OQPSK)是繼QPSK之后發(fā)展起來(lái)的一種恒包絡(luò )數字調制技術(shù)，是QPSK的一種改進(jìn)形式，也稱(chēng)為偏移四相相移鍵控(offset-QPSK)，有時(shí)又稱(chēng)為參差四相相移鍵控(SQPSK)或者雙二相相移鍵控(Double-QPSK)等。它和QPSK有眷同樣的相位關(guān)系，也是把輸入碼流分成兩路，然后進(jìn)行正交調制。隨著(zhù)數字通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應用，人們對系統的帶寬、頻譜利用率和抗干擾性能要求越來(lái)高。而與普通的QPSK比較，交錯正交相移鍵控的同相與正交兩支路的數據流在時(shí)問(wèn)上相互錯開(kāi)了半個(gè)碼元周期，而不像QPSK那樣I、Q兩個(gè)數據流在時(shí)間上是一致的(即碼元的沿是對齊的)。由于OQPSK信號中的I(同相)和Q(正交)兩個(gè)數據流，每次只有其中一個(gè)可能發(fā)生極性轉換，所以，每當一個(gè)新的輸入比特進(jìn)入調制器的I或Q信道時(shí)，其輸出的OQPSK信號中只有0°、+90°三個(gè)相位跳變值，而根本不可能出現180°相位跳變。所以頻帶受限的OQPSK信號包絡(luò )起伏比頻帶受限的QPSK信號要小，而經(jīng)限幅放大后的頻帶展寬也少，因此，OQPSK性能優(yōu)于QPSK。實(shí)際上，OQPSK信號也叫做時(shí)延的QPSK信號。一般情況下QPSK信號兩路正交的信號是碼元同步的，而OQPSK信號與QPSK信號的區別在于其正交的信號錯開(kāi)了半個(gè)碼元。

　　OQPSK信號的數學(xué)公式可以表示為：

　　對于恒包絡(luò )調制技術(shù)，由于一個(gè)已調制的信號頻譜特性與其相位路徑有著(zhù)密切的關(guān)系(因為ω=dθ(t)／dt)，因此，為了控制已調制的信號頻率特性，就必須控制它的相位特性。恒包絡(luò )調制技術(shù)的發(fā)展正是圍繞著(zhù)進(jìn)一步改善已調制的相位路徑這一中心進(jìn)行的。

　　OQPSK信號的產(chǎn)生原理可用圖4來(lái)說(shuō)明。在圖4中，Tb／2的延遲電路用于保證I、Q兩路碼元能偏移半個(gè)碼元周期。BPF的作用則是形成QPSK信號的頻譜形狀，并保持包絡(luò )恒定。

　　OQPSK信號可采用正交相干解調方式解調，其解調原理如圖5所示。由圖5可以看出，OQPSK與QPSK信號的解調原理基本相同，其差別僅在于對Q支路信號抽樣判決時(shí)間比I支路延遲了Tb／2，這是因為在調制時(shí)，Q支路信號在時(shí)間上偏移了Tb／2，所以抽樣判決時(shí)刻也相應偏移了Tb／2，以保證對兩支路的交錯抽樣。

　　OQPSK克服了QPSK的180°相位跳變問(wèn)題，且信號通過(guò)BPF后，包絡(luò )起伏較小，性能得到了改善，因而受到了廣泛重視。但是，當碼元轉換時(shí)，OQPSK的相位變化不連續，存在90°的相位跳變，因此，該技術(shù)的高頻滾降慢，頻帶較寬。

        圖6所示OQPSK在QuartusII環(huán)境下的調制和解調仿真結果。

　　到此即可完成基于FPGA的QPSK及OQPSK的調制和解調工作。

　　3 結束語(yǔ)

　　在高速數字突發(fā)通信中，往往需要快速、高效地對接收信號進(jìn)行位定，并對載波初始相位信息進(jìn)行估計。本文所分析的關(guān)于QPSK及OQPSK信號的調制和解調方法，在軍事、民用領(lǐng)域都具有十分廣泛的應用價(jià)值，同時(shí)也能應用于各種數字通信領(lǐng)域。