VHDL的QPSK調制解調技術系統的設計與仿真

QPSK調制技術在數字通信調制技術中占有非常重要的地位，將通信技術與FPGA結合是現代通信技術發展的一個必然趨勢。QPSK技術具有抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高等優點，目前廣泛應用于數字通信、數字視頻廣播、數字衛星廣播等領域。文中詳細介紹了QPSK技術的工作原理，完成QPSK調制、解調的系統設計方案，并通過VHDL語言編寫調制解調程序，通過QuartusⅡ軟件對模塊和程序進行仿真，并通過引腳鎖定，下載到FPGA芯片EP1K30TC144-3中，軟件仿真和硬件驗證結果表明了該設計的正確性和可行性。

1 基于FPGA的QPSK調制解調系統設計

四進制絕對移相鍵控(QPSK或4PSK)利用載波的四種不同相位來表示數字信息。由于每一種載波相位代表兩個比特信息，因此每個四進制碼元可用兩個二進制碼元的組合來表示(常被稱為雙比特碼元)，一般用格雷碼排列。調制解調的實現原理框圖如圖1所示。由圖1可知，電路主要由分頻器和四選一開關等組成，分頻器對外部時鐘信號進行分頻和計數，并輸出4路頻率相同而相位不同的相干數字載波信號;晶振及分頻、移相電路分別送出調相所需的4種不同相位的載波，按照串/并變換器輸出雙比特碼元的不同，邏輯選相電路輸出相應相位的載波。四選一開關是在基帶信號的控制下，對4路載波信號進行選通，輸出數字QPSK信號。但這還不是真正的QPSK信號，需要在FPGA器件外部加一個D/A變換器，將輸出轉換為模擬信號。

由于QPSK信號可以看作兩個載波正交2PSK信號的合成。對QPSK信號的解調可以采用與2PSK信號類似的解調方法進行解調，一般情況下采用相干解調，得到較好的解調效果。2 QPSK數字調制器仿真

QPSK信號產生的兩種方法有相位選擇法和正交調制法，在該設計中我們采用相位選擇法，具體關系如表1所示。

輸入時鐘信號clk及使能信號start，當start為高電平時才進行QPSK調制，輸入基帶信號進行串/并變換。基帶信號x由一路信號變為兩路并行信號，變換后分別為a信號和b信號，則ab信號構成兩位并行信號yy，變換后的yy值如表1所示。時鐘信號進入八分頻計數器q進行分頻得到4種不同相位的載波。載波相位為45°、135°、225°、315°的4種載波。四選一開關根據信號yy值，選擇載波對應相位進行輸出，可得到已調信號Y。如表1所示，當yy值為“0”，選擇輸出對應的載波f3；當yy值為“01”，選擇輸出對應的載波f2；當yy值為“10”，選擇輸出3對應的載波f1;當yy值為“11”，選擇輸出對應的載波fo，即最終選擇輸出的載波波形就構成調制信號Y。當start為高電平時，進行調制，當輸入的基帶信號為1011 00 01 10 11 10 00 00 00，仿真結果如圖2所示，選擇相位分別為315°，45°，225°，135°，315°，45°，315°，225°，225°，225°。QPSK調制結構體的VHDL程序如下：

3 QPSK數字解調器仿真

根據解調原理，MPSK解調電路的VHDL模型如圖1所示，輸入時鐘信號clk及使能信號start，當start為高電平時才進行MPSK解調，輸入已調信號x，設輸入相位為225°，315°，45°，225°，135°，315°，45°，315°，225°，225°，225°，315°的載波波形，將一個信號周期分成4份，高電平權值分別為0，0、0、0.低電平權值分別1、1、2、3，如表2所示。

由圖1可知，當調制信號x為低電平時，譯碼器1根據計數器q值。送入加法器XX相應的數據。經過反復的運算后，當q值為0和1時，加法器xx再將運算結果送到寄存器。譯碼器2根據yy數據通過譯碼，輸出2位并行信號YYY。如表2所示，中間信號yy與YYY的關系為：5對應“00”;3對應“01”；2對應“10”，4對應“11”。并行信號YYY進行并/串轉換后得到Y值。最終實現了相位為225°的載波，對應輸出Y值為“00”相位為135°的載波，對應輸出Y值為“01”;相位為315°的載波，對應輸出Y值為“10”；相位為45°的載波，對應輸出Y值為“11”。sta rt信號為高電平時開始解調信號，輸出結果(y)為0010 11 00 01 10 11 10 00 00 00 10，仿真結果如圖3所示。

4 結束語

本文基于VHDL方式實現了QPSK數字調制解調電路的設計，通過QuartusII軟件建模對程序進行仿真，并通過引腳鎖定，下載到FPGA芯片EP1K30TC144—3中，軟件仿真和硬件驗證結果表明了該設計的正確性和可行性，對比傳統的電路設計有著明顯的優點，簡化設計，降低硬件電路的復雜性，并由于采用FPGA芯片，提高了設計的靈活性和可移植性，減小硬件設計的復雜性，便于移植維護和升級的特點。如為了防止相位模糊現象，采用差分編碼，采用QDPSK調制解調系統，只需更改軟件程序即可。