一种中频接收机QPSK解调器的设计
2021-09-29中国电子科技集团公司第二十研究所
中国电子科技集团公司第二十研究所 黄 河
数字解调技术在数字通信系统中是非常重要的一项技术，在军用和民用方面都有广泛的应用。本文主要研究数字解调技术中常用的一种解调方式，即QPSK解调。近年来，随着数字集成电路工艺和技术的发展和进步，由于FPGA的可编程性和并行处理的特点，广泛使用于无线通信领域。本文主要研究了一种中频接收机QPSK解调器的实现方法，使用Vivado和Matlab进行联合仿真，验证了基于FPGA平台的实现。
1 QPSK调制解调原理
四相相移键控QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）是一种常用的数字信号处理的调制方式，利用四个不同的相位来表示数字信息。QPSK调制的输入数据是二进制序列，将输入数据两两分组，因此QPSK信号为00、01、10、11四种状态，每一种状态为双比特码元。QPSK信号规定了四种相位的载波，相位分别为45°，135°，225°和315°，QPSK调制信号每次可传输一个双比特码元，映射到4种相位的载波，来表征传输的数据。QPSK调制原理图如图1所示。
图1 QPSK调制原理图
解调的方法一般分为相干解调和非相干解调，对于QPSK调制信号，使用非相干解调。QPSK调制信号首先进入数字下变频（DDC）模块，数字下变频的作用是由载波同步模块恢复出的载波信号与经过带通滤波器的已调信号进行混频，然后通过低通滤波器滤波，得到0频附近的基带信号。再经过判决抽取和串并变换即可得到正确的基带信号了，在抽取判决的过程中，为了保证判决时刻能够尽量靠近码元中间位置，降低解调误码率QPSK解调原理图如图2所示。
图2 QPSK解调原理图
2 QPSK解调器的FPGA设计及实现
本文设计的QPSK解调器主要包括下变频DDC模块，解调模块，载波同步模块以及位同步模块等。
2.1 DDC模块设计
DDC完成60MHz带宽内中频（基带）有用信号的下变频、抽取和滤波。其步骤分为低通滤波、抽取、低通滤波三个步骤。其中第一个低通滤波为高采样率下的低通滤波，第二个低通滤波为抽取后低采样率下的低通滤波。DDC实现框图如图3所示。
图3 DDC流程设计
2.2 解调模块设计
信号解调一般采用相干解调方式，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，因此需要对接收信号进行载波同步和位同步。本方案针对非合作解调场景，载波同步采用基于判决反馈环的数字锁相技术实现，位同步采用数字锁相位同步环实现。
2.2.1 载波同步设计
载波恢复用于校正载波频差及相位抖动，以恢复正确的星座图。本文的设计是通过判决反馈的方法去恢复载波。基于判决反馈环的数字锁相技术原理如图4所示。该方法是将判决后的信息进行利用，相较于非判决反馈载波恢复性能更优。
图4 数字锁相技术原理图
判决前的采样点与判决后的采样点进行复相关运算，提取相位误差，并通过环路滤波器和NCO，将误差补偿到本地产生的载波中，与信号相乘，以达到纠正频偏和相偏的目的。
2.2.2 位同步设计
位同步存在两种情形：当输入的数据源为多比特数据的情形，此时最佳判决时刻和位定时脉冲的条件需要同时满足；当输入的数据源是单比特数据的情形时，仅需要将定时脉冲的频率确定就可以。因此为了达到最佳判决的效果，本文采取适当的同步方法来调整接收系统的判决时钟。数字锁相环位同步法，该方法采用鉴相器来调整位同步信号的相位，当达到稳定状态时，两个信号的相位是一致的，这种方法由于结构较为简单，非常适合使用FPGA来实现，其原理框图如图5所示。
图5 位同步原理框图
位同步的环路主要通过分频器，鉴相器和控制器等构成，在该环路中，鉴相器的作用是将输入信号与本地估计信号的相位进行比较，得到的超前或滞后的相位差信息，将该信息送给控制器，控制器产生脉冲控制信号来改变数控振荡器时钟的相位和周期，将本地估计的信号的相位逼近输入信号的相位。
2.3 仿真验证
使用Matlab生成QPSK调制信号，并存入txt文件中，根据QPSK解调原理，首先进行数字下变频(DDC)，然后进行滤波，最后抽取并判别。图6和图7分别为Matlab和FPGA实现的滤波后和抽取后的波形，可见FPGA实现的波形与Matlab实现的波形相一致。将Vivado仿真后解调数据导入Matlab进行对比，与Matlab结果一致，无误码，如图8所示。
图6 Matlab仿真波形图
图7 Vivado仿真波形图
图8 Vivado与Matlab结果对比图
结束语：本文主要给出了一种在FPGA中实现QPSK解调的方法，通过Matlab和Vivado进行联合仿真，从算法和硬件实现的仿真都达到了较好的效果，在各阶段的时序和波形进行了验证。随着现代通信技术的发展，对于通信距离，通信质量的要求越来越高，QPSK调制解调技术一直是学者研究的热点，因此提供一种实现方法具有一定的研究意义，同时该技术可以广泛应用于军事，民用的通信领域中。
