基于DSP的PSK信号调制设计与实现

数字调制信号又称为键控信号， 其调制过程是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三种： 振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)， 同时可根据所处理的基带信号的进制不同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。为此， 本文研究了基于DSP的BPSK以及DPSK的调制电路的实现方法， 并给出了DSP调制实验的结果。

1 BPSK信号的调制实现

　　二进制相移键控(BPSK) 是多进制相移键控(MPSK) 的基础， 2PSK是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式。

2PSK信号形式一般可表示为：

用已调信号载波的0相位和π相位分别表示二进制数字基带信号的1和0的相位键控方式， 通常被称为绝对移相方式。2PSK信号的调制框图如图1所示。图2是2PSK信号的软件实现流程图。

图1 2PSK信号调制原理图

图2 2PSK信号产生流程图

当恢复的相干载波产生180°倒相时， 其解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好相反， 此时的解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象称为"倒π" 或"反向工作" 现象。为此， 一般不采用2PSK方式， 而采用一种所谓的相对(差分) 移相(2DPSK) 方式。

　　2DPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位值来表示数字信息的一种方式。2DPSK信号相位的变化规律是： 信息代码(绝对码) 为"1" 时，本码元内2DPSK信号的初相相对于前*元内2DPSK信号的末相变化1800； 信息代码为"0"时， 本码元内2DPSK信号的初相相对于前*元内2DPSK信号的末相不变化。2DPSK的实现方法是首先对二进制数字基带信号进行差分编码， 将绝对码表示的二进制信息变换为用相对码表示的信息， 然后再进行绝对调相， 从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK信号调制过程中的波形图如图3所示。其中绝对码与相对码的转换模式如图4所示：

图3 2DPSK信号调制过程波形图

图4 绝对码与相对码的互相转换结构图

　　在2DPSK的解调过程中， 相干载波产生的相位模糊会使解调出的相对码产生倒置现象。但经过码反变换器后， 由于输出的绝对码不会发生任何倒置现象， 因而就不会出现"倒π" 现象。图5所示是2PSK和4DPSK的信号波形比较图。

图5 2PSK和2DPSK信号的波形图

2 QPSK信号的调制实现

　　四相制相位调制是多项制数字相位调制的一种， 在多项制中， 使用最广泛的是四相制和八相制。本文主要介绍QPSK信号的调制实现。多进制相位调制的一般表示式为：

在多进制相位调制中， 四进制数字相位调制(QPSK) 信号是最常用的调制方式， 设计时可取可能的四种相位之一， 例如： 0， π/2， π， 3π/2。QPSK信号的产生可分为调相法和相位键控法。
用调相法产生QPSK信号的原理图如图6所示。

图6 QPSK信号的调制原理图

　　图6中， 串/并变换器可将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列， 这两路双极性的脉冲可通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制， 然后将输出叠加， 即可得到四相移相信号。QPSK调制信号波形图如图7所示。图8所示是QPSK信号的软件实现流程图。

图7 QPSK调制信号波形图

图8 QPSK信号产生流程图

　　QDPSK信号的产生在二相调制时已经指出，而为了得到2DPSK信号， 则应先将绝对码变换成相对码， 然后用相对码对载波进行绝对相移。同样， QDPSK信号的产生也可以采用这种方法。即先将输入的双比特经码型变换后， 再用码变换器输出的双比特进行四相绝对相移， 这样， 其所得到的输出信号便是四相相对移相信号。因此，QDPSK信号的产生流程图只是比QPSK多了一个码变换器， 其码变换器的实现方式如图9所示。

图9 QDPSK信号的码变换器

　　事实上， 码变换器的作用是将输入的双比*ab 转换成双比*cd， 且要求由cd 产生的QDPSK信号与ab的关系能满足表1所列的要求。

表1 QDPSK信号相位编码逻辑关系

由表1可见， 当输入双比特数据为00时， 调相信号的载波相位相对于前一双比*元的载波相位不会变化； 而当输入双比特数据为01时， 调相信号的载波相位相对于前一双比*元的载波相位变化90°， 其余依次类推。

考虑到绝对移相中会存在"倒" 现象， 通常会相对移相(QDPSK) 方式来代替QPSK调制。对于多相调制信号， 将k个信息比特映射到M=2k个可能的相位上去可以有很多种方法， 其中优先考虑的是用格雷编码。在这种编码方式中， 相邻相位只差一个二进制比特， 如果噪声造成传输相位选取相邻相位错误引起时， 在用