基于FPGA的QDPSK調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了QDPSK信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，并分析了其實(shí)現(xiàn)原理，提出一種QDPSK高性能數(shù)字調(diào)制器的FPGA實(shí)現(xiàn)方案。采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分成串／并變換器、差分編碼器、邏輯選相電路、四相載波發(fā)生器等4大模塊，用原理圖輸入、VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)和調(diào)用PLL核相結(jié)合的多種設(shè)計(jì)方法，分別實(shí)現(xiàn)了各模塊的具體設(shè)計(jì)，并給出了其在QuartusⅡ環(huán)境下的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，基于PLL的QDPSK調(diào)制器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于修改和調(diào)試，性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：QDPSK；串／并變換；數(shù)字調(diào)制器；FPGA

FPGA器件(Field Programmable Gate Array)是八十年代中期出現(xiàn)的一種新概念。利用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有重量輕、體積小、速度快、保密程度高、功耗低等特點(diǎn)，極大地提高了產(chǎn)品的性價(jià)比和競(jìng)爭(zhēng)力，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
數(shù)字調(diào)制信號(hào)又稱為鍵控信號(hào)，調(diào)制過(guò)程可用鍵控的方法由基帶信號(hào)對(duì)載頻信號(hào)的振幅、頻率及相位進(jìn)行調(diào)制。這種調(diào)制的最基本方法有3種：振幅健控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)。根據(jù)所處理的基帶信號(hào)的進(jìn)制不同，它們可分為二進(jìn)制和多進(jìn)制調(diào)制(M進(jìn)制)。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)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(yīng)用較廣泛的一種調(diào)制方式，該方式廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、電纜調(diào)制解調(diào)、視頻會(huì)議系統(tǒng)、蜂窩電話和其他數(shù)字通信領(lǐng)域。然而QPSK信號(hào)在解調(diào)的時(shí)候易產(chǎn)生相位模糊問(wèn)題，即可能會(huì)產(chǎn)生0、π／2、π、3π／2 4種相位模糊。解決的方法就是采用四進(jìn)制差分相位鍵控(QDPSK)，對(duì)于相對(duì)移相，基帶信號(hào)是由相鄰兩碼元相位的變化來(lái)表示，它與載波相位無(wú)直接關(guān)系，即使采用同步解調(diào)也不存在相位模糊問(wèn)題，因此在實(shí)際設(shè)備中相對(duì)移相得到了廣泛運(yùn)用。本文研究了基于FPGA的QDPSK調(diào)制電路的實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)闡述了串／并變換、差分編碼、四相載波發(fā)生器等電路的原理與實(shí)現(xiàn)方法，并給出了其在QuartusⅡ環(huán)境下的仿真結(jié)果。

1 QDPSK調(diào)制原理
1．1 四相絕對(duì)移相鍵控(QDPSK)
相對(duì)調(diào)相(相對(duì)移相)，即DPSK(Differential Phase Shift Keying)，也稱為差分調(diào)相，這種方式用載波相位的相對(duì)變化來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)，即利用前后碼之間載波相位的變化表示數(shù)字基帶信號(hào)。在QDPSK信號(hào)中，若以前一雙比特碼元相位作為參考，并令△φ為當(dāng)前雙比特碼元的相位差，則可得到雙比特碼元與載波相位變化關(guān)系如表1所示，從表中可以看出，A方式中，載波相位互差π／2，實(shí)現(xiàn)比較容易，因此采用A方式。

1．2 QDPSK的調(diào)制方法
QDPSK的產(chǎn)生方法可采用調(diào)相法和相位選擇法。圖1為相位選擇法產(chǎn)生QDPSK的原理框圖。在圖1中，四相載波發(fā)生器分別送出調(diào)相需的4種頻率相同、相位互差π／2的載波，輸入二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)串／并變換為四進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)差分編碼變?yōu)樗倪M(jìn)制差分碼，邏輯選相電路根據(jù)差分編碼后的雙比特碼cd，每隔時(shí)間間隔T選擇輸出其中一種相位的載波。虛線內(nèi)的信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，可直接利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)ODPSK調(diào)制。