基于FPGA的QPSK及OQPSK信号调制解调电路

调制识别技术在军事、民用领域都有十分广泛的应用价值，近年来一直受到人们的关注。随着更多调制方式的使用，调制识别技术也在不断向前发展，并应用于各个领域。

数字调制信号又称为键控信号，调制过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制。这种调制的最基本方法有3种：振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。根据所处理的基带信号的进制不同，它们可分为二进制和多进制调制(M进制)。多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多进制相移键控)中应用较广泛的一种调制方式。交错正交相移键控(OQPSK)是继QPSK之后发展起来的一种恒包络数字调制技术，是QPSK的一种改进形式，也称为偏移四相相移键控(offset-QPSK)技术。为此，本文研究了基于FPGA的QPSK以及OQPSK的调制解调电路的实现方法，并给出了其在QuartusII环境下的仿真结果。

1 QPSK的调制与解调

QPSK信号有00、01、10、11四种状态。它对输入的二进制序列首先必须进行分组，每两位码元一组。然后根据组合情况，用载波的四种相位表征它们。QPSK信号实际上是两路正交双边带信号，可由图1所示的方法产生。



由于QPSK信号是两个正交的2PSK信号的合成，所以，可仿照2PSK信号的相平解调法，用两个正交的相干载波分别检测A和B两个分量，然后将其还原成串行二进制数字信号，以完成QPSK信号的解调。其解调过程如图2所示。



图3所示是QPSK在QuartusII环境下的调制和解调仿真结果。      



2 OQPSK的调制与解调

交错正交相移键控(OQPSK)是继QPSK之后发展起来的一种恒包络数字调制技术，是QPSK的一种改进形式，也称为偏移四相相移键控(offset-QPSK)，有时又称为参差四相相移键控(SQPSK)或者双二相相移键控(Double-QPSK)等。它和QPSK有眷同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。随着数字通信技术的发展和广泛应用，人们对系统的带宽、频谱利用率和抗干扰性能要求越来高。而与普通的QPSK比较，交错正交相移键控的同相与正交两支路的数据流在时问上相互错开了半个码元周期，而不像QPSK那样I、Q两个数据流在时间上是一致的(即码元的沿是对齐的)。由于OQPSK信号中的I(同相)和Q(正交)两个数据流，每次只有其中一个可能发生极性转换，所以，每当一个新的输入比特进入调制器的I或Q信道时，其输出的OQPSK信号中只有0°、+90°三个相位跳变值，而根本不可能出现180°相位跳变。所以频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号要小，而经限幅放大后的频带展宽也少，因此，OQPSK性能优于QPSK。实际上，OQPSK信号也叫做时延的QPSK信号。一般情况下QPSK信号两路正交的信号是码元同步的，而OQPSK信号与QPSK信号的区别在于其正交的信号错开了半个码元。

OQPSK信号的数学公式可以表示为：



对于恒包络调制技术，由于一个已调制的信号频谱特性与其相位路径有着密切的关系(因为ω=dθ(t)／dt)，因此，为了控制已调制的信号频率特性，就必须控制它的相位特性。恒包络调制技术的发展正是围绕着进一步改善已调制的相位路径这一中心进行的。

OQPSK信号的产生原理可用图4来说明。在图4中，Tb／2的延迟电路用于保证I、Q两路码元能偏移半个码元周期。BPF的作用则是形成QPSK信号的频谱形状，并保持包络恒定。



OQPSK信号可采用正交相干解调方式解调，其解调原理如图5所示。由图5可以看出，OQPSK与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号抽样判决时间比I支路延迟了Tb／2，这是因为在调制时，Q支路信号在时间上偏移了Tb／2，所以抽样判决时刻也相应偏移了Tb／2，以保证对两支路的交错抽样。         



OQPSK克服了QPSK的180°相位跳变问题，且信号通过BPF后，包络起伏较小，性能得到了改善，因而受到了广泛重视。但是，当码元转换时，OQPSK的相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因此，该技术的高频滚降慢，频带较宽。

图6所示OQPSK在QuartusII环境下的调制和解调仿真结果。



到此即可完成基于FPGA的QPSK及OQPSK的调制和解调工作。

3 结束语

在高速数字突发通信中，往往需要快速、高效地对接收信号进行位定，并对载波初始相位信息进行估计。本文所分析的关于QPSK及OQPSK信号的调制和解调方法，在军事、民用领域都具有十分广泛的应用价值，同时也能应用于各种数字通信领域。