QPSK调制器的FPGA实现

1 引言

四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点，广泛应用于数字通信系统。随着超大规模集成电路的出现，FPGA在数字通信系统中的应用日益广泛，目前已提出了多种基于FPGA实现QPSK的方法。

本文基于FPGA实现直接数字频率合成(DDS)，通过对DDS信号f载波信号1输出相位的控制实现调相，除DA转换外，其它过程均口『以FPGA实现。

2 QPSK调制的基本原理

QPSK采用四种不同的载波相位来表示数字信息，每个载波相位代表2比特信息，其实现有两种方法，相位选择法与正交调制法，相位选择法又分为A、B两种方式。本文采用相位选择法B方式来实现QPSK信号，如图1所示。


图1相位选择法产生QPSK信号

3 QPSK调制电路的FPGA实现

3．1串并转换电路


图2串并转换电路

调制信号(DATA)形成双比特码兀QI口】由图2所不串并转换电路实现。

假设涮制信号为01100011，其时序图如图3所示。从时序图可以看出，从第3个时钟脉冲开始，每2个时钟脉冲，在Q3、Q6同时输出DATA的连续2bit数据，生成双比特码元QI，双比特码元速率为时钟信号(CLKl)频率的一半。为了配合后面的相位调制电路，时钟信号(CLKl)频率为系统时钟频率k的I／M，可以通过M分频电路实现。


图3串并变换电路时序图

3．2四相载波产生器

四相载波产毕器甚干DDS构成．如图4所示。


图4基于DDS的四相载波产生电路

(1)建立正弦查找表

ROM正弦查找表存储了一个完整正弦波周期的抽样值，设相位累加器的数据线宽度为N，则有2一个采样点。先用其他工具计算出这2n个采样点的幅度值，则相邻2个采样点的相位增三个时钟后，相应的载波初始相位、幅艘值与理论分析是一致量为2π／2n，这样，各采样点的位置就确定了该采样点的相位；以ROM依次存储2n个采样点的幅度值，便建立了各采样相位(存储器地址)与幅值的影射关系。

然后用Quartus 5．1建立mif文件，调用LPM_ROM模块，将mif文停的数据内容写入LPM_ROM。

(2)相位累加器

设相位累加器的初始值为0，累加步长为频率控制字K．则每一个时钟周期(1／fclk）的相位增量为K×2π2n，一个完整正弦波周期需要进行2π(Kx2／2n)=2N／K次累加，所以输出信号周期10t=(I／fclk)X2N／K，输出信号频率fout=Kxfclk／2n。

(3)逻辑选相电路

双比特序列QI作为相位控制字用于四种相位载波的选择控制。本文取N：10，先计算出这210=1024个采样点的幅度值，量化为8位二进制数表示。相位为π/4和3π／4时，对应幅度值为38，存储地址分别为000111111l和0101111111。

本义中用VHD语句来完成逻辑选相电路。

if clk"event and clk=’l’then
b<=QI(1)；
c<=QI(0)；
if (clklh='1' or clkll='1' or clk2h=1’or clk21='1')then  -- 每个双比特码元的上升沿
case QI is
when”00”=>uuu<=”100111111l”；reset<=‘1’；--5π／4载波
when”Ol”=>uuu<-”01011111Il”；reset<=‘1’；--3π／4载波
when”10”=>UUll<=”1101111111”；reset<=‘1’；--7π/4载波
when’’11”=>uuu<-”0001111111”；reset<=‘I’； --4载波
when others=>uuu<=”0000000000”；reset<=‘l’
end ease；
else uuu<=uuu+“0001000000”；reset<=‘0’；
endif；

(5)相位调制器

在每个双比特码元的上升沿产生一复位信号(RESET)使DDS的棚位累加器清零，则输出裁波信号的初始相位仅由相位控捌字控制，以保证初始相位为0l码元对应的载波相位；而其它情提下将其与相位累加器的输出相加，共同作为载波信号的相位，从而实现调相。

4 仿真实验及结论

仿真实验中，取fclk=294912Hz，M=48，K=32，则fclk=fclk/M=6144Hz，载波频率fout=Kxfclk／2N=9216Hz。通过Quartusll 5．1软件仿真．得到仿真结果如图5所示。

在图(5)中，当QI为11时的第一个时钟，RESET信号对DDS寄存器复位(T=0)，累加器中的加法器输出R=32，并保持一个时钟；第三个时钟后QPSK输出为218，这与QI为11时，载波初始相位为π／4、幅度值为218是一致的。间样，当QI为00、lO、Ol的仿真结果分剐如图5(b)、5(c)、5(d)所示，在QI码元到达三个时钟后，相应的载波初始相位、幅度值与理论分析时一致的。虽然QPSK信号有三个时钟的延迟，但由于各QI码元的延迟都是一致的，并不影响QPSK的实现；另一方面，延迟时间不到系统时钟周期的三分之一，可以忽略。


图5仿真实验波形

5 结束语

本文采用FPGA实现QPSK调制器克服了传统的模拟调制器的体积大、成本高、系统调试难和生产周期长等缺点。本文作者创新点在予除了DA转换外，系统全部由FPGA实现，对于其它调制方式(如DQPSK、8PSK、QAM等)的FPGA实现，以及FPGA在软件无线电钟的应用具有一定的参考价值。

作者：谢海霞    来源：微计算机信息杂志旬刊