基于DSP的QPSK信号解调

李运洲 ,韦春玲 ,何宪文



基于DSP的QPSK信号解调

李运洲1,韦春玲2,何宪文3

(1. 海军92665部队, 湖南常德 415300；2. 黄冈师范学院, 湖北黄冈 438000；3. 海军工程大学, 武汉 430033)

本文介绍了QPSK信号产生和解调的相关原理。利用数字信号处理芯片运算速度快、可编程性能好、抗干扰能力强，能适合于实现复杂的算法的特点，结合CCS开发平台，完成了以汇编语言为基础的QPSK信号解调的DSP仿真。通过对比Matlab仿真和DSP仿真结果，验证设计的解调过程各项性能指标均达到设计的要求。

DSP QPSK Matlab 仿真

0 引言

QPSK调制技术作为现代数字调制技术的一种，有抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点，同时，由于QPSK是一种恒包络调制，其信号的平均功率是恒定的，使得信号不受幅度衰减的影响，幅度上的失真不会使QPSK产生误码。鉴于以上优点，QPSK被广泛应用于数字通信、数字视频广播、卫星数据传输、移动通信以及军事通信等领域。

近年来，数字信号处理（DSP）技术的发展十分迅速，许多从前必须使用硬件电路实现的信号处理过程，现在已经逐渐由软件实现的DSP算法所取代，而且功能更强大，性能更可靠，接口更通用，互连更灵活。DSP技术已经渗透到数字通信领域的各个环节，如编码译码、数字滤波、调制解调、时钟同步、载波同步等。事实表明，DSP技术在通信和计算机应用领域起着越来越重要的作用。可见如果将两者相结合，利用DSP强大的数字信号处理功能可以更高效地实现QPSK的调制解调。

1原理及方案设计

QPSK调制技术是使用4种不同相位差的载波来表征输入的数字信息。每一次调制能够传输2个信息比特，信息就是通过载波的4种相位来传递的。

QPSK信号产生流程见图1。

由于产生的QPSK信号是射频信号，因此需要对信号进行下变频，然后再对信号进行解调。

根据奈奎斯特定理，设无符号间干扰的码元波形的条件是：设接收滤波器对输入脉冲的响应的频谱为（），符号速率为1/，那么（）以1/为间隔进行频谱搬移后，得到的新的频谱的幅度应该是一条等幅直线。根据这一条准则，我们可以设计（）为升余弦。为了进行匹配滤波接收，将（）开方，得到根升余弦滤波器，分别放在发送端和接收端。这样，从接收端匹配滤波器输出的信号恰好就是升余弦信号。

为了得到根升余弦信号，我们可以让一个冲击经过根升余弦滤波器，滤波器的输出就是所要得到的信号。而在数字滤波器中，可以将一连串的数字信号看成是多个冲击的叠加。所以我们在设计时，可以让信号直接通过根升余弦滤波器，得到波形成形之后的信号。需要考虑的问题是采样频率，符号速率，载波频率，成形后波形带宽（即基带信号的带宽）之间的关系，以及对原信号的插值倍数。下面描述上述参数之间的关系以及对原信号插值倍数的计算。

射频频率和符号速率是给出的。我们要确定的就是采样频率。设射频频率为s，采样频率为，符号速率为1/，成形后波形的带宽为。那么，根据奈奎斯特采样定律，采样频率只需要是+的2倍就可以了。也就是说，平均每个载波周期内采（2+2*/）个点，一般来说，远小于，所以理论上平均每个周期采2个点。在实际的应用中，要想把信号提取出来，如果采样率只是最高频率的两倍，那样就需要理想的滤波器，而理想滤波器在实际中是不能实现的，所以需要提高采样率。此外，为了使得经过模数转换之后的输出信号有较理想的波形，取采样频率为的10倍。那么每个载波周期有十个采样点。因为符号速率为1/，所以一个符号对应的载波周期的个数为*，所以每一个符号对应的点数是**10。所以插值的倍数就是**10。

2 QPSK信号Matlab仿真及DSP实现

为了验证DSP实现的正确性，我们在DSP实现之前用Matlab对QPSK信号进行仿真，得到正确的仿真结果用于与DSP实现的结果进行对比。

对接收信号进行下变频，得到I/Q两路信号，如图4所示。

为了减小工程实现的难度，在DSP实现中我们使用Matlab软件产生QPSK信号。DSP的具体实现是通过开发软件CCS完成的。DSP实现步骤如下：

1）用matlab生成接收信号，存入fir_signal.inc文件中。过程如下，在matlab中找到接收信号变量，将其内容复制到文本文档，然后用Mat2ASM软件将每个数据前加一个逗号，并且将数据转化成一列的形式，复制该列数据到ccs新建的文件，然后查找逗号并替换成“ .word ”的形式，最后保存成inc文件即可。在主程序中用“.copy”将文件包含进去即可。同理将载波信号分别存入carry_wave_i.inc 和carry_wave_q.inc两个文件中。

2）接收信号经过下变频，得到I,Q两路信号。分别给这两路信号分配一个存储空间，OUTPUT_INPUT_I和 OUTPUT_INPUT_Q。将经过下变频得到的结果存入这两个空间之中。

下变频的代码如下：

STM #INPUT,AR2 STM #CARRY_WAVE_I,AR3

STM #OUTPUT_INPUT_I,AR4

STM #RE_NUM-1,BRC RPTB LOOP0-1

MPY *AR2+,*AR3+,A

STH A,*AR4+

LOOP0:

STM #INPUT,AR2

STM #CARRY_WAVE_Q,AR3 STM #OUTPUT_INPUT_Q,AR4

STM #RE_NUM-1,BRC

RPTB LOOP1-1

MPY *AR2+,*AR3+,A

STH A,*AR4+

LOOP1:

“LOOP0”执行的是I路，“LOOP1”执行的是Q路。

3）下变频完成之后，进行根升余弦滤波。滤波的思路是先将I路完全处理完，并将结果存入OUTPUT_I 中，然后再对Q路进行处理，并将结果存入OUTPUT_Q中。参照课本上的滤波的代码，其滤波的实际代码如下（此处只写出了I路的滤波代码，Q路的代码与此相似）：

STM #COFFBUF,AR5

RPT #N-1

MVPD #COFF_FIR,*AR5+

STM #1,AR0

STM #DATABUF,AR4

RPTZ A,#N-1

STL A,*AR4+

STM #(DATABUF+N-1),AR4

STM #COFFBUF,AR5

FIR_TASK_I:

STM #OUTPUT_INPUT_I,AR6

STM #OUTPUT_I,AR7

STM #KS-1,BRC

RPTBD LOOP2-1

STM #N,BK

LD *AR6+,A

FIR_FILTER_I:

STL A,*AR4+%

RPTZ A,N-1

MAC *AR4+0%,*AR5+0%,A

STH A,*AR7+

4）滤波完成之后再进行采样判决。通过ccs上的图形可以直接找到信号的最值点，然后将他们记录下来，找出最佳的采样点，直接将其输出，结果存入SAMPLE_OUT_I和SAMPLE_OUT_Q中。代码如下（仅I路信号的采样代码）：

STM #32H,AR0

STM #OUTPUT_I,AR1

ADDM #100,AR1

STM #SAMPLE_OUT_I,AR2

STM #4,BRC

RPTB LOOP4-1

LD *AR1+0,A

STL A,*AR2+

LOOP4:

5）采样点的数据得到之后，根据两路的采样结果，整合判决得到原始的发送信号将最终的结果存入JUDGE_OUT中。

经过上述处理流程，QPSK信号解调DSP实现完成。

完成下变频后的两路信号如下图所示：

下变频信号经过根深余弦滤波之后的信号：

最终的判决结果如下：

通过比较Matlab仿真得到的结果与DSP实现得到的结果，可以看出本文设计的QPSK信号的DSP实现方法是正确的，能够顺利完成QPSK信号的解调。

3 总结

DSP芯片为实现各类信号的高速实时处理提供了充足的硬件资源，同时TI公司的CCS开发平台提供了灵活高效的开发环境，因此，我们可以通过上述方法轻松实现QPSK信号的解调。

[1] 戴明桢，周建红．TMS320C54x DSP结构、原理及应用（第2版）[M]．北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 冯桂，林其伟，陈东华.信息论与编码技术[M].清华大学出版社，2007.

[3] 王金龙．无线通信系统的DSP实现[M]．人民邮电出版社，2002.

Simulation of Hamming Coding Based on DSP

Li Yunzhou1, Wei Chunling2, He Xianwen3

(1. Army Unit 91388, Changde 415300, Hunan, China; 2. Huanggang Normal University,Huanggang 438000, Hubei, China;3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

TN914

A

1003-4862（2016）05-0059-04

2016-03-15

李运洲(1982-)，男，工程师。研究方向：有线光纤通信。