基于FPGA的QPSK及OQPSK信號調(diào)制和解調(diào)電路設(shè)計

　　0 引言

　　調(diào)制識別技術(shù)在軍事、民用領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用價值，近年來一直受到人們的關(guān)注。隨著更多調(diào)制方式的使用，調(diào)制識別技術(shù)也在不斷向前發(fā)展，并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

　　數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號，調(diào)制過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(diào)制。這種調(diào)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(jù)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(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。交錯正交相移鍵控(OQPSK)是繼QPSK之后發(fā)展起來的一種恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，是QPSK的一種改進(jìn)形式，也稱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(diào)制解調(diào)電路的實現(xiàn)方法，并給出了其在QuartusII環(huán)境下的仿真結(jié)果。

　　1 QPSK的調(diào)制與解調(diào)

　　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，每兩位碼元一組。然后根據(jù)組合情況，用載波的四種相位表征它們。QPSK信號實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信號是兩個正交的2PSK信號的合成，所以，可仿照2PSK信號的相平解調(diào)法，用兩個正交的相干載波分別檢測A和B兩個分量，然后將其還原成串行二進(jìn)制數(shù)字信號，以完成QPSK信號的解調(diào)。其解調(diào)過程如圖2所示。

　　圖3所示是QPSK在QuartusII環(huán)境下的調(diào)制和解調(diào)仿真結(jié)果。

　　2 OQPSK的調(diào)制與解調(diào)

　　交錯正交相移鍵控(OQPSK)是繼QPSK之后發(fā)展起來的一種恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，是QPSK的一種改進(jìn)形式，也稱為偏移四相相移鍵控(offset-QPSK)，有時又稱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(diào)制。隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們對系統(tǒng)的帶寬、頻譜利用率和抗干擾性能要求越來高。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(shù)據(jù)流在時問上相互錯開了半個碼元周期，而不像QPSK那樣I、Q兩個數(shù)據(jù)流在時間上是一致的(即碼元的沿是對齊的)。由于OQPSK信號中的I(同相)和Q(正交)兩個數(shù)據(jù)流，每次只有其中一個可能發(fā)生極性轉(zhuǎn)換，所以，每當(dāng)一個新的輸入比特進(jìn)入調(diào)制器的I或Q信道時，其輸出的OQPSK信號中只有0°、+90°三個相位跳變值，而根本不可能出現(xiàn)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。實際上，OQPSK信號也叫做時延的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(qū)別在于其正交的信號錯開了半個碼元。

　　OQPSK信號的數(shù)學(xué)公式可以表示為：

　　對于恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，由于一個已調(diào)制的信號頻譜特性與其相位路徑有著密切的關(guān)系(因為ω=dθ(t)／dt)，因此，為了控制已調(diào)制的信號頻率特性，就必須控制它的相位特性。恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展正是圍繞著進(jìn)一步改善已調(diào)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來說明。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(diào)方式解調(diào)，其解調(diào)原理如圖5所示。由圖5可以看出，OQPSK與QPSK信號的解調(diào)原理基本相同，其差別僅在于對Q支路信號抽樣判決時間比I支路延遲了Tb／2，這是因為在調(diào)制時，Q支路信號在時間上偏移了Tb／2，所以抽樣判決時刻也相應(yīng)偏移了Tb／2，以保證對兩支路的交錯抽樣。

　　OQPSK克服了QPSK的180°相位跳變問題，且信號通過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(dāng)碼元轉(zhuǎn)換時，OQPSK的相位變化不連續(xù)，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(diào)制和解調(diào)仿真結(jié)果。

　　到此即可完成基于FPGA的QPSK及OQPSK的調(diào)制和解調(diào)工作。

　　3 結(jié)束語

　　在高速數(shù)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(diào)制和解調(diào)方法，在軍事、民用領(lǐng)域都具有十分廣泛的應(yīng)用價值，同時也能應(yīng)用于各種數(shù)字通信領(lǐng)域。