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摘要：本文简述了调制解调系统的发展现状及FPGA的相关知识，介绍了QDPSK调制解调系统的理论算法，提出了QDPSK解调调制系统的具体实现方法。
关键词：FPGA；QDPSK；调制解调技术
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)20-30237-03
The Research and Implementation of the Modem Technology QDPSK Vased on FPGA
WANG Lei, LI Yan-feng
(Tianjin Industry University, Information and Communication Engineering Institute, Tianjin 300160, China)
Abstract: This paper describes the modem system and the development of the FPGA-related knowledge, introduced the QDPSK modem systems theory algorithm, the QDPSK demodulator modulation system to achieve the specific method.
Key words: FPGA; QDPSK; Modem technology
1 引言
随着超大规模集成电路的发展，尤其是微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字化成为目前通信技术发展的趋势，它具有可靠性高，灵活性强，易大规模集成等优点，日益受到重视。目前，数字化的手段主要有专用集成电路(ASIC)和通用数字信号处理器(DSP)。专用集成电路是一种“硬”的设计方法，其优点是处理速度快，缺点是灵活性差。DSP是一种“软”的设计方法，它能完成十分复杂的算法，使用灵活，易实现模块化，缺点是受处理器速度的限制。现场可编程门阵列(FPGA)提供了实现数字信号处理的第三种解决方案，它结合了以上两种方式的优势，既具有很高的处理速度，又具有一定的灵活性。
调制在通信系统中具有重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统得传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能。相对于通信系统发射端的调制过程，在通信系统接收端则需要调制的逆过程—解调，它是从已调制的信号中恢复出原来调制信号的过程。解调方法大致有相干解调和非相干解调两类。一般而言，相干解调性能比非相干解调好，但是在某些场合由于非相干解调的电路简单而采用非相干解调。
2 FPGA的基本结构
FPGA的发展非常迅速，形成了各種不同的结构。按逻辑功能块的大小，FPGA可分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA。细粒度FPGA的逻辑功能块较小，资源可以充分利用，但连线和开关多，速度慢；粗粒度FPGA的逻辑功能块规模大，功能强，但资源不能充分利用。从逻辑功能块的结构上分类，可分为查找表结构、多路开关结构和多级与非门结构。根据FPGA内部连线的结构不同，可分为分段互联型和连续互联型。根据编程方式，FPGA可分为一次编程和可重复编程两种。FPGA一般可由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的SRAM组成，这三种可编程电路是：可编程逻辑块(CLB)、输入/输出模块(IOB)和互联资源(IR)。CLB是FPGA的主要组成部分，是实现逻辑功能的基本单元。它主要是由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，通常排列在芯片的四周。其主要是由输入触发器、输入缓冲器、输出触发/锁存器和输出缓冲器组成。每一个IOB控制一个引脚，可被配置为输入、输出活双向I/O功能。可编程互联资源包括各种长度的金属连线和一些可编程连接开关，它们将各个CLB之间和IOB之间互相连接起来，构成各种复杂功能的系统。
FPGA的主要用途有两个方面：一是作为ASIC设计的快速原型系统，由于生产ASIC的费用非常昂贵，而FPGA的开发费用要小得多；二是验证新算法的物理实现。很多应用场合，设计人员提出一些新的算法，为了验证算法硬件的可实现性和算法的正确性，通常用FPGA作为实现的一种载体。FPGA由于开发周期短、功能强，可靠性高和保密性好的特点广泛地应用在各个领域。
3 QDPSK调制解调算法
在多进制相位调制中，QDPSK信号时最常用的调制方式。它的一般表示为：
其中，φn是受信息控制的相位参数。
同样考虑倒绝对移相存在“倒π”现象，因此用相对移相方式(QDPSK)来代替QPSK调制，也就是利用前后码元的相对相位变化来表示信息。要实现QDPSK调制，只要把绝对码换成相对码，就可以用QDPSK的调制方法来完成。
QDPSK解调：假设信号表达式为：
由信号形式可知，工、Q分量即为恢复出的并行数据，经抽样判决，恢复出码元数据后，再并串变换，就可恢复出串行码元数据。
4 系统方案设计及MATLAB的实现
4.1 系统总体设计
整个设计系统主要是实现对接收信号进行QDPSK解调。但是在软件设计时，为了对解调模块的设计进行验证，在系统总体设计时，需要加上QDPSK调制系统。整个设计讨论QDPSK调制解调系统在MATLAB中的实现过程以及仿真结果。
4.1.1 QDPSK调制系统及功能模块
（1）QDPSK调制系统
在调制系统中，首先对基带信号进行串/并变换，分成两个支路，一路为奇数码元(I路)，一路为偶数码元(Q路)。为了避免绝对QPSK调制方式带来的相位模糊问题，系统中要对这两路序列进行差分编码以形成相对移相QPSK调制方式，即QDPSK调制。每个支路再按BPSK的方法进行调制。QDPSK调制器实际上是由两个乘法器构成，它将差分编码器输出的工、Q通道的数据与来自数控振荡器NCO的载波相乘，但是两支路的载波相位不同，它们互为正交，即相差900，一个称为同相支路，即工支路;另一称为为正交支路，即Q支路。这两支路的信号分别经调制后，再将调制后的信号合并相加，就得到四相移相键控信号。最后将调制好的四相移相键控信号送入高斯信道中。
（2）QDPSK调制功能模块
串/并转换模块：主要是把输入数据序列分为奇偶两路信号，即工路(奇路)和Q路(偶路)。
差分编码模块：主要是根据相邻两码元的相位差，将并/串转换后的两路数据进行差分编码，以避免相位模糊。
数控振荡器(NCO)模块：主要是生成正弦和余弦载波。每送入一对数据，NCO就送出相对应的正弦和余弦值。
乘法器模块：主要是实现差分编码器所输出数据与载波的相乘，完成对输入信号的调制。
加法器模块：将调制好的工路和Q路数据相加，然后将其送入高斯信道。
4.1.2 QDPSK解调系统及功能模块
（1）QDPSK解调系统
QDPSK解调系统是一个比较复杂的数字信号处理过程，它要完成数字下变频、位同步以及载波同步、抽样判决、差分解码和并/串转换的功能。由于接收系统的信号是模拟的已调信号，所以，接收信号在送入解调系统之前，需要进行模数转换处理。考虑到接收信号的频率过高，所以首先要对信号进行数字下变频处理。为了使解调出的信号能完整的恢复原始信号的特性，我们在解调的时候要进行位同步和载波同步。最后将数字下变频输出的信号进行抽样判决、解差分编码和并/串转换就可得到原始发射信号。
（2）QDPSK解调功能模块
乘法器器模块：主要是完成采样量化后的数字信号与本地载波相乘，实现信号的频谱搬移。
低通滤波器模块：主要是滤除乘法器模块输出的中高频分量。数控振荡器(NCO)模块：和调制系统的NCO有一定差别，这里的NCO是受相位差信号控制的。每输入一个相位差信号，就相应产生一对正弦和余弦值。
同步模块：主要包括位同步和载波同步。位同步是找出每个码元的最佳采样点，载波同步则是为了得到一个同频同相的正弦波。
抽样判决模块：首先对低通滤波器输出的信号进行抽样，然后根据抽样之后的结果，判断数据的正负号，如果大于零，则判为码元“0”，如果小于零，则判为码元“1”。
解差分模块：是差分编码的逆过程，将判决后的数据按照差分解码的规则解差分编码。
并/串转换模块：把解差分编码好的两路数据并为一路输出数据。
4.2 QDPSK调制系统的设计实现及MATLAB实现
4.2.1 串/并转换器的设计与实现
（1）原理分析与设计。串并转换模块的作用就是把二进制不归零序列分成奇偶两路信号，分别送入I路和Q路。
（2）仿真结果。仿真中既可以根据需要设定特定的数据格式，也可以调用MATLAB函数random来产生一定长度的随机数。在整MATLAB仿真过程中，论文采用了random函数发生器产生一串随机二进制数。然后将函数发生器产生的二进制数按奇偶分成工、Q两路.
4.2.2 差分编码器的設计与实现
PSK分为绝对移相方式和相对移相方式两种。绝对移相方式就是发送相位作为基准，然后以载波的不同相位直接去表示相应的数字信息。如果绝对移相的方式，接收端中也必须以一个固定的基准相位作为参考。而相就是利用前后相邻码元的相对载波相位方式去表示数字信息。DPSK波形并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位差才是唯一决定信息调DPSK信号时并不以依赖某一个固定的载波相位参考值，只要相邻码元关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。
4.2.3 数控振荡器(NCO)的设计与实现
数控振荡器是数字通信中调制解调单元必不可少的部分，同时也是各种数字频率合成器和数字信号发生器的核心。随着数字通信技术的发展，对传送数据的精度和频率要求也越来越高。在调制系统中，NCO的目标就是产生一个理想的正弦或余弦波，更确切地说就是产生一个频率可变的正弦/余弦波样本。在MATLAB的仿真中，调制系统的NCO随着频率产生载波，载波的生成频率设为20Hz，采样频率为160Hz。
4.2.4 乘法器的设计与实现
（1）原理分析及设计。当输入为0时，载波保持不变，当输入为1时，载波反相。最后将工路和Q路调制好的数据相加后送入信道，QDPSK调制完成。
（2）仿真结果。在进行整体仿真时，载波的生成频率是20，波形变化看的不是很明显。
5 结论
本文首先确定了QDPSK调制解调系统的设计方案，然后对确定好的方案进行深入的理论分析，最后在MATLAB环境里对方案进行了具体仿真，验证了设计方案的准确性和可行性。
参考文献：
[1] 黄春平.基于FPGA的8位加法器原理图和文本设计法[J].科技资讯,2007(31).
[2] 姚展,王明伟.基于FPGA技术的通信原理课程实验教学研究[J].陕西师范大学学报（自然科学版）,2007(S2).
[3] 周宁宁,程春玲.基于FPGA技术的计算机组成原理实验系统[J].现代电子技术,2005(01).
[4] 王晓勇.FPGA的基本原理及运用[J].舰船电子工程,2005(02).
[5] 常红霞.基于FPGA的QDPSK调制解调技术的研究及实现[D].南京理工大学,2007.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：FPGA；QDPSK；调制解调技术
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)20-30237-03
The Research and Implementation of the Modem Technology QDPSK Vased on FPGA
WANG Lei, LI Yan-feng
(Tianjin Industry University, Information and Communication Engineering Institute, Tianjin 300160, China)
Abstract: This paper describes the modem system and the development of the FPGA-related knowledge, introduced the QDPSK modem systems theory algorithm, the QDPSK demodulator modulation system to achieve the specific method.
Key words: FPGA; QDPSK; Modem technology
1 引言
随着超大规模集成电路的发展，尤其是微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字化成为目前通信技术发展的趋势，它具有可靠性高，灵活性强，易大规模集成等优点，日益受到重视。目前，数字化的手段主要有专用集成电路(ASIC)和通用数字信号处理器(DSP)。专用集成电路是一种“硬”的设计方法，其优点是处理速度快，缺点是灵活性差。DSP是一种“软”的设计方法，它能完成十分复杂的算法，使用灵活，易实现模块化，缺点是受处理器速度的限制。现场可编程门阵列(FPGA)提供了实现数字信号处理的第三种解决方案，它结合了以上两种方式的优势，既具有很高的处理速度，又具有一定的灵活性。
调制在通信系统中具有重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统得传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能。相对于通信系统发射端的调制过程，在通信系统接收端则需要调制的逆过程—解调，它是从已调制的信号中恢复出原来调制信号的过程。解调方法大致有相干解调和非相干解调两类。一般而言，相干解调性能比非相干解调好，但是在某些场合由于非相干解调的电路简单而采用非相干解调。
2 FPGA的基本结构
FPGA的发展非常迅速，形成了各種不同的结构。按逻辑功能块的大小，FPGA可分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA。细粒度FPGA的逻辑功能块较小，资源可以充分利用，但连线和开关多，速度慢；粗粒度FPGA的逻辑功能块规模大，功能强，但资源不能充分利用。从逻辑功能块的结构上分类，可分为查找表结构、多路开关结构和多级与非门结构。根据FPGA内部连线的结构不同，可分为分段互联型和连续互联型。根据编程方式，FPGA可分为一次编程和可重复编程两种。FPGA一般可由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的SRAM组成，这三种可编程电路是：可编程逻辑块(CLB)、输入/输出模块(IOB)和互联资源(IR)。CLB是FPGA的主要组成部分，是实现逻辑功能的基本单元。它主要是由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，通常排列在芯片的四周。其主要是由输入触发器、输入缓冲器、输出触发/锁存器和输出缓冲器组成。每一个IOB控制一个引脚，可被配置为输入、输出活双向I/O功能。可编程互联资源包括各种长度的金属连线和一些可编程连接开关，它们将各个CLB之间和IOB之间互相连接起来，构成各种复杂功能的系统。
FPGA的主要用途有两个方面：一是作为ASIC设计的快速原型系统，由于生产ASIC的费用非常昂贵，而FPGA的开发费用要小得多；二是验证新算法的物理实现。很多应用场合，设计人员提出一些新的算法，为了验证算法硬件的可实现性和算法的正确性，通常用FPGA作为实现的一种载体。FPGA由于开发周期短、功能强，可靠性高和保密性好的特点广泛地应用在各个领域。
3 QDPSK调制解调算法
在多进制相位调制中，QDPSK信号时最常用的调制方式。它的一般表示为：
其中，φn是受信息控制的相位参数。
同样考虑倒绝对移相存在“倒π”现象，因此用相对移相方式(QDPSK)来代替QPSK调制，也就是利用前后码元的相对相位变化来表示信息。要实现QDPSK调制，只要把绝对码换成相对码，就可以用QDPSK的调制方法来完成。
QDPSK解调：假设信号表达式为：
由信号形式可知，工、Q分量即为恢复出的并行数据，经抽样判决，恢复出码元数据后，再并串变换，就可恢复出串行码元数据。
4 系统方案设计及MATLAB的实现
4.1 系统总体设计
整个设计系统主要是实现对接收信号进行QDPSK解调。但是在软件设计时，为了对解调模块的设计进行验证，在系统总体设计时，需要加上QDPSK调制系统。整个设计讨论QDPSK调制解调系统在MATLAB中的实现过程以及仿真结果。
4.1.1 QDPSK调制系统及功能模块
（1）QDPSK调制系统
在调制系统中，首先对基带信号进行串/并变换，分成两个支路，一路为奇数码元(I路)，一路为偶数码元(Q路)。为了避免绝对QPSK调制方式带来的相位模糊问题，系统中要对这两路序列进行差分编码以形成相对移相QPSK调制方式，即QDPSK调制。每个支路再按BPSK的方法进行调制。QDPSK调制器实际上是由两个乘法器构成，它将差分编码器输出的工、Q通道的数据与来自数控振荡器NCO的载波相乘，但是两支路的载波相位不同，它们互为正交，即相差900，一个称为同相支路，即工支路;另一称为为正交支路，即Q支路。这两支路的信号分别经调制后，再将调制后的信号合并相加，就得到四相移相键控信号。最后将调制好的四相移相键控信号送入高斯信道中。
（2）QDPSK调制功能模块
串/并转换模块：主要是把输入数据序列分为奇偶两路信号，即工路(奇路)和Q路(偶路)。
差分编码模块：主要是根据相邻两码元的相位差，将并/串转换后的两路数据进行差分编码，以避免相位模糊。
数控振荡器(NCO)模块：主要是生成正弦和余弦载波。每送入一对数据，NCO就送出相对应的正弦和余弦值。
乘法器模块：主要是实现差分编码器所输出数据与载波的相乘，完成对输入信号的调制。
加法器模块：将调制好的工路和Q路数据相加，然后将其送入高斯信道。
4.1.2 QDPSK解调系统及功能模块
（1）QDPSK解调系统
QDPSK解调系统是一个比较复杂的数字信号处理过程，它要完成数字下变频、位同步以及载波同步、抽样判决、差分解码和并/串转换的功能。由于接收系统的信号是模拟的已调信号，所以，接收信号在送入解调系统之前，需要进行模数转换处理。考虑到接收信号的频率过高，所以首先要对信号进行数字下变频处理。为了使解调出的信号能完整的恢复原始信号的特性，我们在解调的时候要进行位同步和载波同步。最后将数字下变频输出的信号进行抽样判决、解差分编码和并/串转换就可得到原始发射信号。
（2）QDPSK解调功能模块
乘法器器模块：主要是完成采样量化后的数字信号与本地载波相乘，实现信号的频谱搬移。
低通滤波器模块：主要是滤除乘法器模块输出的中高频分量。数控振荡器(NCO)模块：和调制系统的NCO有一定差别，这里的NCO是受相位差信号控制的。每输入一个相位差信号，就相应产生一对正弦和余弦值。
同步模块：主要包括位同步和载波同步。位同步是找出每个码元的最佳采样点，载波同步则是为了得到一个同频同相的正弦波。
抽样判决模块：首先对低通滤波器输出的信号进行抽样，然后根据抽样之后的结果，判断数据的正负号，如果大于零，则判为码元“0”，如果小于零，则判为码元“1”。
解差分模块：是差分编码的逆过程，将判决后的数据按照差分解码的规则解差分编码。
并/串转换模块：把解差分编码好的两路数据并为一路输出数据。
4.2 QDPSK调制系统的设计实现及MATLAB实现
4.2.1 串/并转换器的设计与实现
（1）原理分析与设计。串并转换模块的作用就是把二进制不归零序列分成奇偶两路信号，分别送入I路和Q路。
（2）仿真结果。仿真中既可以根据需要设定特定的数据格式，也可以调用MATLAB函数random来产生一定长度的随机数。在整MATLAB仿真过程中，论文采用了random函数发生器产生一串随机二进制数。然后将函数发生器产生的二进制数按奇偶分成工、Q两路.
4.2.2 差分编码器的設计与实现
PSK分为绝对移相方式和相对移相方式两种。绝对移相方式就是发送相位作为基准，然后以载波的不同相位直接去表示相应的数字信息。如果绝对移相的方式，接收端中也必须以一个固定的基准相位作为参考。而相就是利用前后相邻码元的相对载波相位方式去表示数字信息。DPSK波形并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位差才是唯一决定信息调DPSK信号时并不以依赖某一个固定的载波相位参考值，只要相邻码元关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。
4.2.3 数控振荡器(NCO)的设计与实现
数控振荡器是数字通信中调制解调单元必不可少的部分，同时也是各种数字频率合成器和数字信号发生器的核心。随着数字通信技术的发展，对传送数据的精度和频率要求也越来越高。在调制系统中，NCO的目标就是产生一个理想的正弦或余弦波，更确切地说就是产生一个频率可变的正弦/余弦波样本。在MATLAB的仿真中，调制系统的NCO随着频率产生载波，载波的生成频率设为20Hz，采样频率为160Hz。
4.2.4 乘法器的设计与实现
（1）原理分析及设计。当输入为0时，载波保持不变，当输入为1时，载波反相。最后将工路和Q路调制好的数据相加后送入信道，QDPSK调制完成。
（2）仿真结果。在进行整体仿真时，载波的生成频率是20，波形变化看的不是很明显。
5 结论
本文首先确定了QDPSK调制解调系统的设计方案，然后对确定好的方案进行深入的理论分析，最后在MATLAB环境里对方案进行了具体仿真，验证了设计方案的准确性和可行性。
参考文献：
[1] 黄春平.基于FPGA的8位加法器原理图和文本设计法[J].科技资讯,2007(31).
[2] 姚展,王明伟.基于FPGA技术的通信原理课程实验教学研究[J].陕西师范大学学报（自然科学版）,2007(S2).
[3] 周宁宁,程春玲.基于FPGA技术的计算机组成原理实验系统[J].现代电子技术,2005(01).
[4] 王晓勇.FPGA的基本原理及运用[J].舰船电子工程,2005(02).
[5] 常红霞.基于FPGA的QDPSK调制解调技术的研究及实现[D].南京理工大学,2007.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”