2FSK與QPSK混合調制解調技術的研究

作者：毛昕蓉陳蓉時間：2019-02-26 來源：電子產品世界

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

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201902/397977.htm

　　摘要：四相相移鍵控(QPSK)以及頻移鍵控(2FSK)為常用的短距離無線數字通信制式，憑借良好的抗干擾性能以及簡單的實現方式，在通信領域有著較為廣泛的應用。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(tǒng)。2FSK實現方式簡單，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兩種調制解調技術進行研究，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(tǒng)QPSK和2FSK單一調制方式進行改良，將信號混合在一起，通過同一信道同時發(fā)射，同時接收解調，提高信道利用率。

　　關鍵詞：QPSK;2FSK;混合調制

　　1 系統(tǒng)概述

　　雖然數字調制和解調技術種類繁多，但隨著現代通信需求的增長，人們對調制技術的抗干擾、天抗衰落、頻譜利用和誤差性能提出了越來越高的要求。單一的調制解調技術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，以滿足現代通訊的需要。

　　本文對傳統(tǒng)的QPSK和2FSK單調制方法進行了改進，對QPSK和2FSK調制信號進行了混合調制。QPSK碼率為2 Mbps，系統(tǒng)時鐘頻率為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(tǒng)時鐘頻率為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(tǒng)的框圖。原始信號分為兩個信號：輸入1，輸入2，分別進行QPSK調制以及2FSK調制。由QPSK調制產生的I路信號與2FSK調制產生的I路信號相互疊加，由QPSK調制產生的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過數字上變頻模塊合成一路中頻信號，其載波頻率為4 MHz，混頻后進行發(fā)射。

　　圖2為接收機系統(tǒng)框圖。首先將接收到的RF信號經ADC采樣量化，使其成為頻率為4 MHz的中頻信號，經過數字下變頻模塊與本振信號相乘，通過濾波分別獲得I路與Q路的混合信號(此時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，信源產生的二進制基帶信號經過串并轉換后生成生兩路BPSK信號，然后分別經過雙極性變換和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”值插值后信號中產生的鏡像頻帶完全過濾掉了，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，將兩個頻率的余弦NCO輸出信號接入另一個選通器，生成2FSK_Q路信號，Q路與I路信號始終有著90°相位差，采用這種特殊波形，在碼元相關時，一個周期內只會生成一個相關峰，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)射端通過正交上變頻模塊經過4 MHz的上變頻后，頻譜進行了4 MHz的搬移，因此在接受端需首先經過4 MHz的下變頻，然后經過一個截止頻率為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，再經過一個截止頻率為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，首先進行兩個16 bit的前頭碼相關，找到相關峰后如圖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(tǒng)定點仿真

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