2FSK與QPSK混合調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究

毛昕蓉　陳蓉

摘要：四相相移鍵控（QPSK）以及頻移鍵控（2FSK）為常用的短距離無線數(shù)字通信制式，憑借良好的抗干擾性能以及簡單的實現(xiàn)方式，在通信領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。QPSK頻譜利用率比較高、抗干擾性強，廣泛應(yīng)用于各種通訊系統(tǒng)。2FSK實現(xiàn)方式簡單，可異步傳輸，抗噪和抗衰減性能好，在中低速數(shù)據(jù)傳輸中廣泛應(yīng)用。本文對QPSK與2FSK兩種調(diào)制解調(diào)技術(shù)進行研究，基于二者調(diào)制解調(diào)原理，介紹一種新穎的調(diào)制解調(diào)方式，即QPSK與2FSK混合調(diào)制解調(diào)。對傳統(tǒng)QPSK和2FSK單一調(diào)制方式進行改良，將信號混合在一起，通過同一信道同時發(fā)射，同時接收解調(diào)，提高信道利用率。

關(guān)鍵詞：QPSK;2FSK;混合調(diào)制

1 系統(tǒng)概述

雖然數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)種類繁多，但隨著現(xiàn)代通信需求的增長，人們對調(diào)制技術(shù)的抗干擾、天抗衰落、頻譜利用和誤差性能提出了越來越高的要求。單一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)早已不能夠達到人們的要求，因此本文提出了一種混合調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以滿足現(xiàn)代通訊的需要。

本文對傳統(tǒng)的QPSK和2FSK單調(diào)制方法進行了改進，對QPSK和2FSK調(diào)制信號進行了混合調(diào)制。QPSK碼率為2Mbps，系統(tǒng)時鐘頻率為16MHz，在9dB信噪比情況下誤碼率小于0.1%;2FSK碼率為10kbps，系統(tǒng)時鐘頻率為16MHz，在9dB信噪比情況下誤碼率小于0.1%。

圖1是發(fā)射機系統(tǒng)的框圖。原始信號分為兩個信號：輸入1，輸入2，分別進行QPSK調(diào)制以及2FSK調(diào)制。由QPSK調(diào)制產(chǎn)生的I路信號與2FSK調(diào)制產(chǎn)生的I路信號相互疊加，由QPSK調(diào)制產(chǎn)生的Q路信號和2FSK調(diào)制生成的Q路信號相互疊加。將得到的兩路信號經(jīng)過數(shù)字，上變頻模塊合成一路中頻信號，其載波頻率為4MHz，混頻后進行發(fā)射。

圖2為接收機系統(tǒng)框圖。首先將接收到的RF信號經(jīng)ADC采樣量化，使其成為頻率為4MHz的中頻信號，經(jīng)過數(shù)字下變頻模塊與本振信號相乘，通過濾波分別獲得I路與Q路的混合信號（此時的兩路混合信號即為發(fā)射機端的兩路混合信號），把兩路混合信號分別送入2FSK解調(diào)模塊與QPSK解調(diào)模塊，根據(jù)QPSK和2FSK的特點分別對其做相應(yīng)的模塊解調(diào)工作。

2 仿真測量結(jié)果

2.1 QPSK調(diào)制模塊仿真

在QPSK發(fā)射機中，信源產(chǎn)生的二進制基帶信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后生成生兩路BPSK信號，然后分別經(jīng)過雙極性變換和16倍“0”值插值。插值后引入了鏡像頻譜，并且信號的頻帶變窄，如圖3所示。因此要將“0”值插值后的信號通過低通濾波，濾除鏡像頻譜。低通濾波后，基帶信號的頻域波形如圖4所示：

從濾波后的頻域波形中可以發(fā)現(xiàn)，低通濾波器將“0”值插值后信號中產(chǎn)生的鏡像頻帶完全過濾掉了，只保留了原始基帶信號的頻率信息。這樣就得到了QPSK的基帶調(diào)制信號。

2.2 2FSK調(diào)制模塊仿真

圖5所示為20KHz的正弦NCO和40KHz正弦NCO的輸出信號接入選通器，生成的2FSK_l路信號，將兩個頻率的余弦NCO輸出信號接入另一個選通器，生成2FSK_Q路信號，Q路與I路信號始終有著90°相位差，采用這種特殊波形，在碼元相關(guān)時，一個周期內(nèi)只會生成一個相關(guān)峰，大大優(yōu)化了峰值檢測和判決的準(zhǔn)確度。圖6所示波形為I路的2FSK信號與QPSK信號相加后的波形。

2.3 QPSK解調(diào)模塊仿真

混合信號的頻譜分量包含20KHz、40KHz、1MHz，在發(fā)射端通過正交上變頻模塊經(jīng)過4MHz的上變頻后，頻譜進行了4MHz的搬移，因此在接受端需首先經(jīng)過4MHz的下變頻，然后經(jīng)過一個截止頻率為4MHz的低通濾波器，濾除多余的頻譜分量，便得到了頻譜在0附近的2FSK頻譜分量和QPSK頻譜分量，再經(jīng)過一個截止頻率為50KHz的高通濾波器，我們便能得到僅含QPSK頻率分量的頻譜圖，從而濾掉2FSK進行QPSK的解調(diào)。

在QPSK解調(diào)中，我們采取星座圖解調(diào)的方法，首先進行兩個16bit的前頭碼相關(guān)，找到相關(guān)峰后如圖7，便可以確定信號的起始位置建立新的星座圖坐標(biāo)系如圖8所示。

2.4 2FSK接收機系統(tǒng)定點仿真

正交解調(diào)后，我們將2FSK信號進行了40倍抽取，這樣是為了降低采樣頻率和采樣點數(shù)，降低數(shù)據(jù)處理量。對1路與Q路信號分別進行碼元“0”和碼元“1”相關(guān)，相關(guān)后求平方和，從而得到數(shù)值為正的相關(guān)峰。進行相關(guān)后的波形如圖9、10所示。圖中很容易看出兩種符號相關(guān)后的波形存在類似于“互補”狀態(tài)的幅值，每個相關(guān)峰對應(yīng)檢測出一個2FSK數(shù)據(jù)，最終解調(diào)得到2FSK波形。

2.5 混合調(diào)制模式下性能測試

在通信過程中，難免會引入噪聲，白噪聲是通信中經(jīng)常遇到的噪聲中的一種，在噪聲的干擾下，會影響通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，因此需要進行性能評估。根據(jù)系統(tǒng)性能要求，對噪聲從0dB～11dB進行測試，找到誤碼率達到千分之一以下時的信噪比。如圖為誤碼率曲線：

從圖中可以發(fā)現(xiàn)QPSK在8dB時，誤碼率為千分之一，達到誤碼要求;2FSK誤碼率在8dB時低于千分之滿足系統(tǒng)要求。

3 結(jié)論

本文對傳統(tǒng)的2FSK和QPSK單一調(diào)制方式進行了深入學(xué)習(xí)和改進，將兩種調(diào)制信號進行混合，在同一信道完成同時接收和解調(diào)，實現(xiàn)了QPSK與2FSK混合調(diào)制解調(diào)，提升了傳輸信道的頻帶利用效率。另外，本文為實現(xiàn)其它混合模式的調(diào)制奠定基礎(chǔ)，相信在不久的將來會有更多的混合調(diào)制涌現(xiàn)。

參考文獻

[1]張輝，曹麗娜現(xiàn)代通信原理與技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[2]李亞南.數(shù)字調(diào)制識別算法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]應(yīng)亞萍，許建鳳，陳婉君.2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)[J].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.[4]王甲琛.基于FPGA的DPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.[5]張志民數(shù)字通信信號調(diào)制方式自動識別研究及實現(xiàn)[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[6]雷雪梅，呂鏡清，楊萬麟，等.FSK/PSK混合調(diào)制多參數(shù)估計[J].電子信息對抗技術(shù)，2009（24）：9—13.