基于FPGA實現四相絕對移相鍵控技術調制電路的設計

1、引言

四相絕對移相鍵控（QPSK）技術以其抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高等優點，廣泛應用于數字通信系統。隨著超大規模集成電路的出現，FPGA在數字通信系統中的應用日益廣泛，目前已提出了多種基于FPGA實現QPSK的方法。

本文基于FPGA實現直接數字頻率合成（DDS），通過對DDS信號f載波信號1輸出相位的控制實現調相，除DA轉換外，其它過程均口以FPGA實現。

2、 QPSK調制的基本原理

QPSK采用四種不同的載波相位來表示數字信息，每個載波相位代表2比特信息，其實現有兩種方法，相位選擇法與正交調制法，相位選擇法又分為A、B兩種方式。本文采用相位選擇法B方式來實現QPSK信號，如圖1所示。

圖1相位選擇法產生QPSK信號

3、 QPSK調制電路的FPGA實現

3．1串并轉換電路

圖2串并轉換電路

調制信號（DATA）形成雙比特碼兀QI口】由圖2所不串并轉換電路實現。

假設涮制信號為01100011，其時序圖如圖3所示。從時序圖可以看出，從第3個時鐘脈沖開始，每2個時鐘脈沖，在Q3、Q6同時輸出DATA的連續2bit數據，生成雙比特碼元QI，雙比特碼元速率為時鐘信號（CLKl）頻率的一半。為了配合后面的相位調制電路，時鐘信號（CLKl）頻率為系統時鐘頻率k的I／M，可以通過M分頻電路實現。

圖3串并變換電路時序圖

3．2四相載波產生器

四相載波產畢器甚干DDS構成．如圖4所示。

圖4基于DDS的四相載波產生電路

（1）建立正弦查找表

ROM正弦查找表存儲了一個完整正弦波周期的抽樣值，設相位累加器的數據線寬度為N，則有2一個采樣點。先用其他工具計算出這2n個采樣點的幅度值，則相鄰2個采樣點的相位增三個時鐘后，相應的載波初始相位、幅艘值與理論分析是一致量為2π／2n，這樣，各采樣點的位置就確定了該采樣點的相位；以ROM依次存儲2n個采樣點的幅度值，便建立了各采樣相位（存儲器地址）與幅值的影射關系。

然后用Quartus 5．1建立mif文件，調用LPM_ROM模塊，將mif文停的數據內容寫入LPM_ROM。

（2）相位累加器

設相位累加器的初始值為0，累加步長為頻率控制字K．則每一個時鐘周期（1／fclk）的相位增量為K×2π2n，一個完整正弦波周期需要進行2π（Kx2／2n）=2N／K次累加，所以輸出信號周期10t=（I／fclk）X2N／K，輸出信號頻率fout=Kxfclk／2n。

（3）邏輯選相電路

雙比特序列QI作為相位控制字用于四種相位載波的選擇控制。本文取N：10，先計算出這210=1024個采樣點的幅度值，量化為8位二進制數表示。相位為π/4和3π／4時，對應幅度值為38，存儲地址分別為000111111l和0101111111。

本義中用VHD語句來完成邏輯選相電路。

if clk“event and clk=’l’then

b《=QI（1）；

c《=QI（0）；

if （clklh=‘1’ or clkll=‘1’ or clk2h=1’or clk21=‘1’）then -- 每個雙比特碼元的上升沿

case QI is

when”00”=》uuu《=”100111111l”；reset《=‘1’；--5π／4載波

when”Ol”=》uuu《-”01011111Il”；reset《=‘1’；--3π／4載波

when”10”=》UUll《=”1101111111”；reset《=‘1’；--7π/4載波

when’’11”=》uuu《-”0001111111”；reset《=‘I’； --4載波

when others=》uuu《=”0000000000”；reset《=‘l’

end ease；

else uuu《=uuu+“0001000000”；reset《=‘0’；

endif；

（5）相位調制器

在每個雙比特碼元的上升沿產生一復位信號（RESET）使DDS的棚位累加器清零，則輸出裁波信號的初始相位僅由相位控捌字控制，以保證初始相位為0l碼元對應的載波相位；而其它情提下將其與相位累加器的輸出相加，共同作為載波信號的相位，從而實現調相。

4、仿真實驗及結論

仿真實驗中，取fclk=294912Hz，M=48，K=32，則fclk=fclk/M=6144Hz，載波頻率fout=Kxfclk／2N=9216Hz。通過Quartusll 5．1軟件仿真．得到仿真結果如圖5所示。

在圖（5）中，當QI為11時的第一個時鐘，RESET信號對DDS寄存器復位（T=0），累加器中的加法器輸出R=32，并保持一個時鐘；第三個時鐘后QPSK輸出為218，這與QI為11時，載波初始相位為π／4、幅度值為218是一致的。間樣，當QI為00、lO、Ol的仿真結果分剮如圖5（b）、5（c）、5（d）所示，在QI碼元到達三個時鐘后，相應的載波初始相位、幅度值與理論分析時一致的。雖然QPSK信號有三個時鐘的延遲，但由于各QI碼元的延遲都是一致的，并不影響QPSK的實現；另一方面，延遲時間不到系統時鐘周期的三分之一，可以忽略。