一種中頻接收機QPSK解調器的設計

中國電子科技集團公司第二十研究所 黃 河

數字解調技術在數字通信系統中是非常重要的一項技術，在軍用和民用方面都有廣泛的應用。本文主要研究數字解調技術中常用的一種解調方式，即QPSK解調。近年來，隨著數字集成電路工藝和技術的發展和進步，由于FPGA的可編程性和并行處理的特點，廣泛使用于無線通信領域。本文主要研究了一種中頻接收機QPSK解調器的實現方法，使用Vivado和Matlab進行聯合仿真，驗證了基于FPGA平臺的實現。

1 QPSK調制解調原理

四相相移鍵控QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）是一種常用的數字信號處理的調制方式，利用四個不同的相位來表示數字信息。QPSK調制的輸入數據是二進制序列，將輸入數據兩兩分組，因此QPSK信號為00、01、10、11四種狀態，每一種狀態為雙比特碼元。QPSK信號規定了四種相位的載波，相位分別為45°，135°，225°和315°，QPSK調制信號每次可傳輸一個雙比特碼元，映射到4種相位的載波，來表征傳輸的數據。QPSK調制原理圖如圖1所示。

圖1 QPSK調制原理圖

解調的方法一般分為相干解調和非相干解調，對于QPSK調制信號，使用非相干解調。QPSK調制信號首先進入數字下變頻（DDC）模塊，數字下變頻的作用是由載波同步模塊恢復出的載波信號與經過帶通濾波器的已調信號進行混頻，然后通過低通濾波器濾波，得到0頻附近的基帶信號。再經過判決抽取和串并變換即可得到正確的基帶信號了，在抽取判決的過程中，為了保證判決時刻能夠盡量靠近碼元中間位置，降低解調誤碼率QPSK解調原理圖如圖2所示。

圖2 QPSK解調原理圖

2 QPSK解調器的FPGA設計及實現

本文設計的QPSK解調器主要包括下變頻DDC模塊，解調模塊，載波同步模塊以及位同步模塊等。

2.1 DDC模塊設計

DDC完成60MHz帶寬內中頻（基帶）有用信號的下變頻、抽取和濾波。其步驟分為低通濾波、抽取、低通濾波三個步驟。其中第一個低通濾波為高采樣率下的低通濾波，第二個低通濾波為抽取后低采樣率下的低通濾波。DDC實現框圖如圖3所示。

圖3 DDC流程設計

2.2 解調模塊設計

信號解調一般采用相干解調方式，接收端需要提供一個與發射端調制載波同頻同相的相干載波，因此需要對接收信號進行載波同步和位同步。本方案針對非合作解調場景，載波同步采用基于判決反饋環的數字鎖相技術實現，位同步采用數字鎖相位同步環實現。

2.2.1 載波同步設計

載波恢復用于校正載波頻差及相位抖動，以恢復正確的星座圖。本文的設計是通過判決反饋的方法去恢復載波。基于判決反饋環的數字鎖相技術原理如圖4所示。該方法是將判決后的信息進行利用，相較于非判決反饋載波恢復性能更優。

圖4 數字鎖相技術原理圖

判決前的采樣點與判決后的采樣點進行復相關運算，提取相位誤差，并通過環路濾波器和NCO，將誤差補償到本地產生的載波中，與信號相乘，以達到糾正頻偏和相偏的目的。

2.2.2 位同步設計

位同步存在兩種情形：當輸入的數據源為多比特數據的情形，此時最佳判決時刻和位定時脈沖的條件需要同時滿足；當輸入的數據源是單比特數據的情形時，僅需要將定時脈沖的頻率確定就可以。因此為了達到最佳判決的效果，本文采取適當的同步方法來調整接收系統的判決時鐘。數字鎖相環位同步法，該方法采用鑒相器來調整位同步信號的相位，當達到穩定狀態時，兩個信號的相位是一致的，這種方法由于結構較為簡單，非常適合使用FPGA來實現，其原理框圖如圖5所示。

圖5 位同步原理框圖

位同步的環路主要通過分頻器，鑒相器和控制器等構成，在該環路中，鑒相器的作用是將輸入信號與本地估計信號的相位進行比較，得到的超前或滯后的相位差信息，將該信息送給控制器，控制器產生脈沖控制信號來改變數控振蕩器時鐘的相位和周期，將本地估計的信號的相位逼近輸入信號的相位。

2.3 仿真驗證

使用Matlab生成QPSK調制信號，并存入txt文件中，根據QPSK解調原理，首先進行數字下變頻(DDC)，然后進行濾波，最后抽取并判別。圖6和圖7分別為Matlab和FPGA實現的濾波后和抽取后的波形，可見FPGA實現的波形與Matlab實現的波形相一致。將Vivado仿真后解調數據導入Matlab進行對比，與Matlab結果一致，無誤碼，如圖8所示。

圖6 Matlab仿真波形圖

圖7 Vivado仿真波形圖

圖8 Vivado與Matlab結果對比圖

結束語：本文主要給出了一種在FPGA中實現QPSK解調的方法，通過Matlab和Vivado進行聯合仿真，從算法和硬件實現的仿真都達到了較好的效果，在各階段的時序和波形進行了驗證。隨著現代通信技術的發展，對于通信距離，通信質量的要求越來越高，QPSK調制解調技術一直是學者研究的熱點，因此提供一種實現方法具有一定的研究意義，同時該技術可以廣泛應用于軍事，民用的通信領域中。