第17卷第2期V01.17No.2琼州学院学报JournalofQiongzhouUniversity2010年4月28日Apr.28.2010基于FPGA的QPSK调制电路设计孙志雄,石焕玉(琼州学院电子信息工程学院,海南三亚572022)摘要:随着FPGA技术的发展,数字通信技术与FPGA的结合体现了现代数字通信系统发展的一个趋势.文中介绍了MPSK调制电路的原理,并基于FPGA实现了QPSK调制电路.Q咖nI-sII环境下的仿真结果表明设计方案是可行的.关键词:QPSK;FPGA;调制中图分类号:TN914文献标识码:A文章编号:1008-6722(2010)02—0010—04在数字调制系统中,数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似,数字信号对载波振幅调制称为振幅键控(ASK),对载波频率调制称为频移键控(FSK),对载波相位调制称为相移键控(PSK).根据所处理的基带数字信号进制的不同分为二进制和多进制调制.多进制数字调制与二进制相比,其频谱利用率更高,其中QPSK是多进制相移键控(MPSK)中应用广泛的一种调制方式.1MPSK简介MPSK是多进制移相键控,它利用具有多个相位状态的正弦波来代表多组二进制信息码元,即用载波的一个相位对应于一组二进制信息码元.如果载波有2‘个相位,它可代表k位二进制码元的不同组合.在MPSK信号中,载波相位可取M个可能值,以=警,n=0,1,…,M一1.因此MPSK信号可表示为IH一,’一妒麟(‘)=Acos(a,o‘)+以)=Acos(埘ot+警)。,,一例如,当M=4时,即为QPSK,QPSK信号有00、0l、10、1l四种状态,此时可用载波的四种相位表示.所以,对于输入的二进制序列,首先必须分组,每两位码元一组.然后根据其组合情况,用载波的四种相位表征它们.QPSK信号实际是两路正交双边带信号,因此,可由图1所示方法产生.串行输入的二进制码,每两位分成一组,若前一位用A表示,后一位用B表示,经串/并变换后变成宽度加倍的并行码,A、B码元在时间上对齐.再分别进行极性变换,把单极性码变成双极性码,然后与载波相乘,形成正交的双边带信号,加法器输出形成QPSK信号.即用QPSK信号的四种相位ao=0,p。=下77,巩=仃,岛=J下7F分别表示数字基带信号00、01、一,一●10、11的四种状态.2QPSK调制电路的VHDL设计及仿真VHDL是超高速集成电路硬件描述语言,其以强大的系统描述能力、规范的程序设计结构、灵活的语言表达风格和多层次的仿真测试手段,在电子设计领域受到了普遍的认同和广泛的接受,称为EDA领域的首先硬件描述语言.下面利用VHDL对QPSK调制电路进行设计,并基于QuartusII环境进行仿真.2.1基于VHDL的QPSK调制电路方框图串行输入的二进制数字基带信号通过串/并转换器得到2位并行信号,其四种状态00、0l、10、ll控制四选一开关,分别选择载波对应的相位进行输出,即得到QPSK调制信号,调制框图如图2所示.收稿日期:2009—12—09作者简介:孙志雄(1974一),男,海南屯昌人,琼州学院电子信息工程学院副教授,主要研究方向为电子与通信技术;‘石焕玉(1962一),男,海南澄迈人,琼州学院电子信息工程学院教授,主要研究方向为电子与信息技术.基金项目:琼州学院青年教师科研基金项目(QY200913),三亚市院校专项资金项目(YD09017)万方数据第2期孙志雄,石焕玉:基于FPGA的QPSK调制电路设计输入——◆…A易AtBi图1QPSK信号的产生f…一……………~…………………………]iFPGAI.L1ctk;I万烈llenll00l|900ll1800|l2700lQPSK调制信号I二进制码l,上上上串/并转换}冷图2}四选一开关I…·--………~………………………………….二QPSK调制电路方框图2.2QPSK调制电路的VHDL程序及仿真结果根据QPSK调制电路方框图2,利用VHDL语言进行设计,其主要源程序如下.1ibraryieee;USeieee.std_logic..1164.all;——实体定义:定义输入输出端lYl信号,包括系统时钟clk、数字基带信号b、——使能控制信号en和调制输出信号mentityqpskisport(elk:instd_logic;en:instd_logic;b:instd_logic;m:outendqpsk;std_logic);——结构体描述architecturebehavofqpskis万方数据12琼州学院学报signalq:integerrange0to7;signal(第17卷)20lobb:std_logic_vector(1downto0);downto0);signal蚴:std—logic_vector(1sisnalf:std_logic_vector(3downto0);begin——进程描述,完成基带信号的串并转换,并通过对clk分频得到QPSK调制的四路信号process(dk)beginifclk奄ventandclk=1’thenifen=0’thenq<=0;elsifq=0thenq<=1;f(3)<=1,.f(1)<=O.bb(1)<=b;mm<=bb;elsifq=2thenelsifq=4thenq<=3;f(2)<=0,;f(0)<=1,.q<=5;f(3)<=O.f(1)<=1,.bb(O)<=b;elsifq=6thenq<=7;f(2)<=1.f(o)<=0’elseq<2q+1;endif;end.if;endprocess;m<=f(O)whenf(1)whenmm=”11”elsemill=”10”else“2)when姗=”01”elsef(3);endbehav;在Qu毗-tusⅡ环境下,对QPSK调制电路进行VHDL设计,并进行编译、仿真,得到仿真波形如图3所示.当en信号为高电平时,开始进行QPSK调制,输入的数字基带信号b经调制后从m输出相应的4种频率相同而相位不同的载波f(3)、f(2)、“1)、f(o),其分别对应相位%=o,0。=手,02-Tr,03=挈,其中中间信号mill与调制输出信号m的对应关系为“00”=f(3),“01”=f(2),“10”=f(1),“11”=f(o).编译、仿真成功后?在EDA实验箱,完成引脚锁定并将编程文件下载到ALTERA公司ACElK系列FPGA芯片EPlK30QC208进行实验验证,实验结果表明设计是可行的.图3QPSK调制仿真波形万方数据第2期孙志雄,石焕玉:基于Flea的QPsK调制电路设计3结束语在数字通信系统中,数字调制与解调技术占有非常重要的地位.QPSK调制电路的FPGA设计与实现为研究软件无线电提供了参考,多进制数字调制技术与FPGA的结合使得通信系统的性能得到了提高.参考文献:[1]段吉海,胡嫒嫒.基于VHDL的MSK调制解调器的建模与设计[J].徽计算机信息,2006(7-2):205-207.[2]罗文超;徐钊;盛祥佐.一种基于DDS的QPSK调制器及其Flea实现[J].电讯技术,2007(4):156—158.【3]宋广怡,彭继强.基于FPGA的QPSK高速解调器的设计与实现[J].无线电工程,2006(5):47—49.【4]段吉海,黄智伟.基于CPLD/FIⅪA的数字通信系统建模与设计[M].北京:电子工业出版社,2004:238—245.[5]江国强.EDA技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2006:11—23.DesignofQPSKModulationCircuitBasedonFPGASUNZhi—xiong,SHIHuan—yu(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,Qion#onUniversity,SanyaHainan572022。China)Abstract:WiththedevelopmentofFPGAtechnology.thecombinationofdigitalcommunicationtechnologyandFleaisacertainlytrend.ThepaperintroducestheprincipleofQPSKmodulation。thecircuitamalsoberealizedbasedonFPGA.ThesimulationresultunderQuartusⅡindicatesthatthemethodisfeasible.Keywords:QPSK;FPGA;modulation(上接第9页)参考文献:【1]徐俊明.图论及应用[M].合肥:中国科学技术大学出版杜,2004.104—245.[2]王树禾.图论[M].北京:科学出版社,85—119.[3]丁超,樊锁海,赖洪建.图的条件着色[J].暨南大学学报,2008,29(1):35一镐.【4]J.Aeondy,USR.Murty.GraphTheorywithApplicalio啮【M】.North-Holland融蝴ier,1976.【5]Hong—JianLM,JiaIIliaIIguN,BraceMont¥omery,TsmhiSHUI,SuohaiFAN.Conditionalcoloringsofgraphs[J].DiscreteMathematics306(2006):1997—2004.TwoNewUpperBoundsofConditionalColoringinGraphsLINYuel,WANGZhe—hd‘(1.C础egeofScienceandEngineering,QiongzhouUniversity,SanyaHainan572022,China;2.Dean’SOffice,QiongzhouUniversity,SanyaHainan572022,China)Abstract:Findingaconditionalgraphofsimplegraphs出mughafeasiblealgorithm,discusstherelationshipbetweenthechromaticnumberofconditionalgraphandthechromaticnumberoforiginalgraph,andthen..gettwoupperboundsofconditionalcoloring.Keywords:conditionalcoloring;graphofconditionalgorithm;conditionalgraph;mooregraph万方数据基于FPGA的QPSK调制电路设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
孙志雄, 石焕玉, SUN Zhi-xiong, SHI Huan-yu琼州学院电子信息工程学院,海南,三亚,572022琼州学院学报
JOURNAL OF QIONGZHOU UNIVERSITY2010,17(2)0次
1.段吉海.胡嫒嫒 基于VHDL的MSK调制解调器的建模与设计 2006(7-2)2.罗文超.徐钊.盛祥佐 一种基于DDS的QPSK调制器及其FPGA实现 2007(4)3.宋广怡.彭继强 基于FPGA的QPSK高速解调器的设计与实现 2006(5)4.段吉海.黄智伟 基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计 20045.江国强 EDA技术与应用 2006
1.期刊论文 赵国栋.徐建良.ZHAO Guo-dong.XU Jian-liang 基于多相滤波的正交采样零中频数字化接收及QPSK高速解调的FPGA实现 -电路与系统学报2010,15(2)
针对高速率QPsK数据传输链系统,比较分析了数字中频接收与零中频接收的优、缺点,并提出了一种基于多相滤波的宽带中频正交采样数字零中频接收方案.基于FPGA对此数字零中频正交变换方案进行了实现和验证,同时,对一种全数字零中频QPSK信号的高速解调算法及其FPGA硬件实现进行了介绍.
2.期刊论文 高松.彭大芹 QPSK调制器的FPGA设计与实现 -电子测试2009(11)
首先介绍QPSK调制的基本原理,提出了一种基于FPGA的全数字QPSK调制方案.本文重点介绍了QPSK数字调制系统各个子模块的设计思路和流程,并对QuartusⅡ软件进行简单介绍,通过QuartusⅡ软件对各子模块和顶层文件进行综合和仿真,最后在基于stratixⅡ系列芯片EP2S30F672C5的PCB板上证验了本设计的正确性和可行性.
3.学位论文 路布新 基于FPGA的全数字QPSK通信系统的研究 2006
QPSK数字调制技术,具有频谱利用率高、频谱特性好、抗干扰性能强、传输速率快等突出特点,在移动通信、卫星通信中具有广泛应用价值,但是基于FPGA的全数字QPSK调制解调仍在进一步研究发展中。
本文是对基于FPGA的全数字QPSK通信系统进行了研究,首先讨论了QPSK通信系统的基本原理,并用Matlab仿真系统的误码率,其次,采用VHDL在XILINX公司ISE6.1开发环境下对系统的FPGA实现进行设计,设计主要包括NCO全数字化实现的设计、成形滤波器用查找表实现的设计、匹配滤波器的设计、用全数字实现Costas环的设计以及用全数字锁相环实现位同步的设计,根据这些设计结果,再完成了整个系统的功能仿真,软件调试结果表明能够实现调制解调。最后,本文对系统硬件电路进行设计,并给出了硬件系统调试方案。
本文设计的基于FPGA实现的QPSK数字调制解调器具有体积小、集成度高和可软件升级等特点,这为设计更高集成度和更灵活的通信系统芯片提供了基础。
4.期刊论文 朱玉颖.杨小华.姚远程.ZHU Yu-ying.YANG Xiao-hua.YAO Yuan-cheng QPSK数字解调与FPGA的实现 -通信技术2010,43(7)
软件无线电接收机,要求解调模式灵活可变,需设计一个基本的IQ正交解调模型,通过参数设置来改变解调模式.介绍一种四相相移键控(QPSK)的数字解调方案,以现场可编程门阵列(FPGA)来实现NCO、DDS、数字相乘.FIR滤波等关键算法.通过原理设计、Simulink系统仿真、Verilog HDLi+言编程和FPGA实现,完成了QPSK数字解调器的电路设计,通过仿真并下载试验,得到了良好的解调质量.
5.学位论文 何秀慧 基于QPSK调制的扩频系统的FPGA实现 2007
QPSK是一种线性窄带数字调制技术,具有频谱利用率高、频谱特性好、抗衰落性能强和可用非相干解调等特点。扩频通信是从军事通信中发展起来的一种高性能通信技术,具有抗干扰、抗多径能力强和保密性好等优点,在移动通信和卫星通信中得到广泛应用。所以将QPSK技术应用亍扩频通信具有重要的工程意义。
本文对QPSK调制的扩频系统的FPGA实现进行了研究。本文介绍了扩频通信的原理及发展现状,并对QPSK调制的原理进行了详细阐述。本文设计的扩频通信系统主要包括串并/并串转换、差分编/解码、DDS、扩频/解扩、QPSK调制/解调等模块,基于Altera公司的Quartus Ⅱ 4.1开发平台对以上各模块进行了设计和时序仿真.仿真结果证明:该系统能正确工作,完成了预定的目标。
本文设计的基于FPGA的扩频通信系统具有集成度高、可软件升级等优点,这为设计更高集成度和灵活性的通信系统提供了基础。
6.期刊论文 谢海霞.周开利.XIE Hai-xia.ZHOU Kai-li QPSK调制器的FPGA实现 -微计算机信息2009,25(5)
提出了一种基于FPGA实现QPSK调制器的方法.以FPGA实现DDS,通过对DDS信号输出相位的控制实现调相.仿真结果表明方案是可行的.
7.期刊论文 杨大柱.YANG DAZHU 基于FPGA的QPSK调制解调电路设计与实现 -微计算机信息2007,23(8)
数字调制解调技术在数字通信中占有非常重要的地位,数字通信技术与FPGA的结合是现代通信系统发展的一个必然趋势.文中介绍了QPSK调制解调的原理,并基于FPGA实现了QPSK调制解调电路.MAX+PLUSⅡ环境下的仿真结果表明了该设计的正确性.
8.期刊论文 张楠.张根栋 基于DDS技术的全数字QPSK调制器的设计 -工矿自动化2009,35(7)
文章介绍了一种基于DDS技术、以FPGA为硬件载体的全数字QPSK调制器的设计方案.采用该方案实现的QPSK调制器具有体积小、成本低、功耗低、集成度高、可软件升级、系统稳定性和可靠性高等特点,且可参考ADSL技术将其应用于煤矿井下通信系统中,从而实现高速率、远距离的信息传输,提高频谱利用率.
9.期刊论文 刘鹏.Liu Peng 基于FPGA的自适应QPSK解调器的设计实现 -军民两用技术与产品2005(4)
根据软件无线电的思想,提出了一种新颖的数字信号处理算法,对QPSK信号的相位进行数字化处理,从而实现对QPSK信号的解调.该算法允许收发两端
载波存在频差,用数字锁相实现收发端载波的同步,在频偏较大的情况下,估算频偏的大小,自适应设置环路的带宽,实现较短的捕获时间和较好的信噪性能.整个设计基于XILINX公司的ISE开发平台,并用Virtex-Ⅱ系列FPGA实现.用FPGA实现调制解调器具有体积小、功耗低、集成度高、可软件升级、抗干扰能力强的特点,符合未来通信技术发展的方向.
10.学位论文 李师波 QPSK基带通信设计及其FPGA实现的研究 2005
全数字调制解调技术具有多速率、多制式、智能性等特点,这极大的提高了通信系统的灵活性和通用性,符合未来通信技术发展的方向。
本文从如下几个方面对全数字调制解调器进行了深入系统研究:1,在介绍全数字调制解调器的发展现状和研究QPSK通信调制解调方式的基础上,依据软件定性仿真分析了QPSK正交调制解调系统,设计出了满足系统要求的实现电路框图并选定了芯片;2,在完成了基于FPGA芯片实现QPSK调制解调的算法方案设计基础上,利用VHDL语言完成了芯片程序的设计,并对其进行了调试和功能仿真;3,利用设计出的调制解调器与选定的AD、DA、正交调制解调芯片,完成了QPSK通信系统的硬件电路的设计并完成了调制电路的研制;4,完成电路的信息速率大于300Kbps,产生的中频信号中心频率70MHz,带宽500KHz,满足系统设计要求,由于时间关系解调电路仍在调试中。
本文基于FPGA实现的QPSK数字调制解调器具有体积小、集成度高和软件可升级等优点,这为设计高集成和高灵活性的通信系统提供了技术基础。
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