基于FPGA的QPSK与BPSK调制系统仿真

基于FPGA的QPSK的定点设计及仿真
肖九思;梁长松;钱慧
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2009(026)005
【摘要】数字基带信号有时无法直接传输,需经过载波调制转换成适合的频带信号.而QPSK(Quatemary Phase Shift Keying)是一种线性窄带数字调制技术,被广泛应用于移动通信和卫星通信中,其突出特点是频带利用率高、频谱特性好、抗衰落性能强、可进行非相干解调.采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗、提高了可靠性,同时还可以很方便地对设计进行在线修改.通过对QPSK的调制技术进行研究,利用自上而下的模块化设计方法把整个QPSK调制系统分解成串并转换、差分编码、译码、CIC滤波和正交载波调制5个小模块,并用Verilog硬件描述语言在FPGA上设计实现各个模块,实现了数字信号的传输,最后用testbench验证仿真结果.
【总页数】4页(P154-157)
【作者】肖九思;梁长松;钱慧
【作者单位】福州大学物理与信息学院,福建,福州,350002;福州大学物理与信息学院,福建,福州,350002;福州大学物理与信息学院,福建,福州,350002
【正文语种】中文
【中图分类】TN
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目录摘要：本文 (1)关键字： (2)1设计分析 (2)1.1设计目的 (2)1.2 设计任务与要求 (2)1.3 设计原理分析 (3)2系统控制器模块分析 (3)2.1 VHDL简介 (3)2.1.1VHDL具有以下特点： (3)2.1.1.1功能强大、设计灵活 (3)2.1.1.2支持广泛、易于修改 (4)2.1.1 .3强大的系统硬件描述能力 (4)2.1.1.4独立于器件的设计、与工艺无关 (4)2.1.1.5很强的移植能力 (4)2.1.1.6编辑本段优势 (4)2.2 FPGA简介 (5)2.2.1FPGA工作原理 (5)2.2.2FPGA芯片结构 (6)2.2.3基本特点 (7)2.3 QPSK简介 (8)2.3.1QPSK正交调制器原理图 (8)2.3.2QPSK相干解调原理图 (9)2.4 QPSK调制电路的FPGA实现及仿真 (9)2.4.1 基于FPGA的QPSK调制电路方框图 (9)24.2 调制电路VHDL程序及仿真结果 (10)2.5 QPSK解调电路的FPGA实现及仿真 (12)2.5.1 基于FPGA的QPSK解调电路方框图 (12)2.5.2解调电路VHDL程序及仿真结果 (12)3结论 (15)4参考文献 (16)摘要：本文采用FPGA设计芯片技术对多进制数字通信技术的QPSK调制器实现进行了研究与分析，将调制器中原有多种专用芯片的功能集成在一片大规模可编程逻辑器件FPGA芯片上，实现了高度集成化、小型化、实际研究仿真表明，该方案具有突出的灵活性和高效性，为设计者提供了多种可自由选择的设计方法和工具。

关键字：FPGA、QPSK、数字通信随着电子技术的不断发展与进步，电子设计系统设计方法发生了很大的变化，传统的设计方法正在退出历史的舞台，而基于EDA技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。

随着现代信息技术的发展，模拟调制技术越来越不能满足日益发展的移动通信、视频信号传输以及卫星通信的要求，数字调制技术日益得到重视。

五附录相关程序第二章BPSK的工作原理BPSK调制原理BPSK即二进制相移键控。

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息。

在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。

因此，2PSK信号的时域表达式为(t)=Acost+)其中，表示第n个符号的绝对相位：=因此，上式可以改写为BPSK解调原理解调采用相干解调法，通过与载波相乘，然后通过低通滤波器或进行积分可以滤除高频分量，即可3.3.2 Simulink的启动2 新建模型窗口如图改变参数内容对两个基带相移键控调制BPSK进行仿真，在相同的信号源（随机整数发生器）和传输环境（加性高斯白噪声环境）下，利用相关基带调制/解调模块了解这两种调制的工作特性及占用带宽。

要求：1.给出仿真模型中各模块的主要参数。

2.用频谱仪，离散时间星座图仪观测BPSK的信号频谱图和星座图，并比较码元传输率和误码率。

如下为搭建的电路产生随机整数序列信道实验22、根据BPSK信号的调制解调原理，在无噪声传输仿真环境下，用simulink的communication toolbox 实现BPSK发送机和接收机。

基本要求如下：a) 发送端数字信号由信源模块产生，要求采用随机的二进制信号；b) 接收端的滤波器利用积分模块按积分清除来实现；c) 在整个系统模型建立后，要求添加若干示波器模块，用来观察发送端的输出波形，调制后的输出波形，解调器后的信号波形。

如下为搭建的电路图产生随机的0，1序列通过减0.5再乘2变为双极性码调制：与正弦函数相乘与高斯噪声相叠加解调：与同频同相的正弦波相乘积分器参数设置积分后结果判决结果码型反变换为单极性码即得结果、实验总结本次实验初次使用simulink仿真，刚开始不太熟悉，通过老师讲解、同学帮助及查阅资料终于学会了一些基本的操作。

第一个实验利用系统自带的模块进行调制，第二个实验自己设计调制系统，相对于第一个实验稍微复杂，但经过仔细思考终于得出了结果。

2.1 PSK调制方式PSK原理介绍（以2-PSK为例）移相键控(PSK)又称为数字相位调制,二进制移相键控记作2PSK。

绝对相移是利用载波的相位(指初相)直接表示数字信号的相移方式。

二进制相移键控中,通常用相位0 和π来分别表示“0”或“1”。

2PSK 已调信号的时域表达式为s2psk(t)=s(t)cosωct, 2PSK移相键控中的基带信号与频移键控和幅度键控是有区别的,频移键控和幅度键控为单极性非归零矩形脉冲序列,移相键控为为双极性数字基带信号,就模拟调制法而言,与产生2ASK 信号的方法比较,只是对s(t)要求不同,因此2PSK 信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB 调幅信号。

在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。

通常用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。

二进制移相键控信号的时域表达式为e2PSK(t)=[nna g(t-nT s)]cosw c t其中, an与2ASK和2FSK时的不同，在2PSK调制中，an应选择双极性。

1, 发送概率为Pan=-1, 发送概率为1-P若g(t)是脉宽为Ts, 高度为1的矩形脉冲时，则有cosωct, 发送概率为Pe2PSK(t)=-cosωct, 发送概率为1-P由上式(6.2-28)可看出，当发送二进制符号1时，已调信号e2PSK(t)取0°相位，发送二进制符号0时，e2PSK(t)取180°相位。

若用φn表示第n个符号的绝对相位，则有0°, 发送 1 符号φn=180°, 发送 0 符号由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π”现象，从而使得2PSK 方式在实际中很少采用。

为了解决2PSK 信号解调过程的反向工作问题， 提出了二进制差分相位键控(2DPSK)，这里不再详述。

QPSK调制器的FPGA实现ROM正弦查找表存储了一个完整正弦波周期的抽样值，设相位累加器的数据线宽度为N，则有2一个采样点。

先用其他工具计算出这2n个采样点的幅度值，则相邻2个采样点的相位增三个时钟后，相应的载波初始相位、幅艘值与理论分析是全都量为2π／2n，这样，各采样点的位置就确定了该采样点的相位；以ROM依次存储2n个采样点的幅度值，便建立了各采样相位(存储器地址)与幅值的影射关系。

然后用 5．1建立mif文件，调用LPM_ROM模块，将mif文停的数据内容写入LPM_ROM。

(2)相位累加器设相位累加器的初始值为0，累加步长为频率控制字K．则每一个时钟周期(1／fclk）的相位增量为K×2π2n，一个完整正弦波周期需要举行2π(Kx2／2n)=2N／K次累加，所以输出信号周期10t=(I／fclk)X2N ／K，输出信号频率fout=Kxfclk／2n。

(3)规律选相电路双比特序列QI作为相位控制字用于四种相位载波的挑选控制。

本文取N：10，先计算出这210=1024个采样点的幅度值，量化为8位二进制数表示。

相位为π/4和3π／4时，对应幅度值为38，存储地址分离为000111111l和010*******。

本义中用VHD语句来完成规律选相电路。

if clk"event and clk=’l’thenbuuuuuuUUlluuuuuu4 试验及结论仿真切验中，取fclk=294912Hz，M=48，K=32，则fclk=fclk/M=6144Hz，载波频率fout=Kxfclk／2N=9216Hz。

通过Quartusll 5．1软件仿真．得到仿真结果5所示。

在图(5)中，当QI为11时的第一个时钟，RESET信号对DDS寄存器复位(T=0)，累加器中的加法器输出R=32，并保持一个时钟；第三个时钟后QPSK输出为218，这与QI为11时，载波初始相位为π／4、幅度值为218是全都的。

BPSK数字调制解调器仿真BPSK数字调制解调器仿真摘要：随着数字信号处理技术的不断发展，数字化软件⽆线电接收机已经成为趋势，调制/解调技术是数字通信系统中的核⼼技术。

现代计算机科学技术快速发展，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。

通信系统仿真具有⼴泛的适应性和极好的灵活性,有助于更好地研究通信系统性能。

本⽂介绍了数字化调制解调技术的现状发展及其应⽤，通信系统仿真软件MATLAB中的⼀种可视化仿真⼯具Simulink；然后介绍了BPSK数字调制解调的理论基础，包括数字带通传输分类以及重点分析了BPSK数字调制和解调的原理。

本⽂在深刻理解通信系统理论的基础上，利⽤MATLAB强⼤的仿真功能,在Simulink仿真环境下设计了BPSK调制解调系统仿真模型，给出各路观察波形,并通过对星座图和误码率的分析，证实了解调算法的可⾏性。

最后，本⽂对所做的研究⼯作进⾏了总结，并且提出了今后的⼯作和研究⽅向。

关键词：BPSK；调制解调器；MATLAB；定点数仿真IThe simulation of BPSK digital modemAbstract：With digital signal processing technology continues to evolve, digital software radio receiver has become a trend,modulation/demodulation technology is the core technology in digital communication system。

The rapid development of modern computer science and technology,makes the communications system simulation design and analysis process become relatively intuitive and convenient, which also makes the communication system simulation technology has been faster development. Communication system simulation with wide adaptability and excellent flexibility, helps to better study the communication system performance. This paper introduces the digital modem technology situation and development and application of communication system simulation software MATLAB in a visual simulation tools Simulink; then introduced digital modulation and demodulation of BPSK theoretical foundation, including digital bandpass transmission segment and analysis of the BPSK digital modulation and demodulation principle.In this paper, a deep understanding of communication systems theory, based on the powerful simulation using MATLAB function in Simulink environment designed the BPSK modulation demodulation system simulation model, and through the constellation and BER analysis confirmed that the demodulation algorithm. Finally, this paper made a summary of the research work, and proposed future work and research directions.Key words:BPSK, Modem, MATLAB, Fixed-point simulation⽬录第1章绪论 (1)1.1 研究背景及其意义 (1)1.2数字化调制解调技术的现状发展及其应⽤ (1)1.3MATLAB/SIMULINK的简介 (3)1.4本⽂主要研究内容与结构 (4)1.5 本章⼩结 (5)第2章BPSK数字调制/解调原理 (6)2.1 相移键控系统概述 (6)2.2 数字带通传输分类 (6)2.3BPSK信号调制解调原理 (6)2.3.1BPSK信号调制原理 (6)2.3.2BPSK 信号解调原理 (8)2.4 本章⼩结 (10)第3章BPSK调制解调器的MATLAB/SIMULINK实现 (10)3.1 系统总体⽅案简介 (11)3.2 系统⽅案设计 (11)3.2.1信源 (11)3.2.2 星座映射 (13)3.2.3发送滤波器 (15)3.2.4BPSK调制 (17)3.2.3 信道 (22)3.2.4BPSK解调 (25)3.2.5低通滤波器 (28)3.2.6接收滤波器 (30)3.2.7抽样判决器 (33)3.4 本章⼩结 (36)第4章BPSK解调⽅案的定点数仿真 (37)4.1定点数仿真原理分析 (37)4.2 BPSK解调⽅案的定点数仿真 (38)4.2.1数据量化的定点数分析 (39)4.2.2带宽截取的定点数分析 (40)4.2.3 滤波器的定点数分析 (41)4.3.1相⼲解调定点数仿真 (43)4.4 整体原理框图及输出波形 (44)4.5 本章⼩结 (45)第5章结论与展望 (46)5.1 结论 (46)5.2 展望 (46)致谢 (48)参考⽂献 (49)附录 (51)第1章绪论1.1 研究背景及其意义通信技术融⼊计算机和数字信号处理技术以后发⽣了⾰命性的变化，它和计算机技术、数字信号处理技术结合是现代通信技术的标志。

基于MATLAB的QPSK系统仿真设计与实现QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）是一种常用的调制技术，广泛应用于无线通信系统中。

本文将基于 MATLAB 对 QPSK 系统进行仿真设计与实现。

首先，我们需要了解 QPSK 调制的原理。

QPSK 将每个符号分成两个维度，分别为实部和虚部，以实现两个维度上的相位调制。

在 QPSK 中，每个符号可以表示为 a+jb 的形式，其中 a 和 b 分别为两个调制点的幅度，j 为虚数单位。

在 QPSK 中，通常我们使用 2 相移键控（BPSK）调制的方式来实现每个维度上的相位调制。

接下来，我们可以开始进行QPSK系统的仿真设计与实现。

1.首先，我们需要生成QPSK调制所使用的信号。

a.定义QPSK调制器：b.生成随机数据序列：data = randi([0,3],1000,1);c.通过调制器将数据序列调制为QPSK信号：modulatedData = modulator(data);2.接下来，我们需要添加高斯噪声模拟通信信道。

我们可以使用 MATLAB 中的 AWGN（Additive White Gaussian Noise）信道模型来添加高斯噪声。

步骤如下：a.定义AWGN信道对象：b.设置信道的信噪比（SNR）值：awgnChannel.SNR = 10;c.通过信道对象添加高斯噪声：receivedSignal = awgnChannel(modulatedData);3.最后，我们需要进行解调和误码率的计算。

a.定义QPSK解调器：b.对接收到的信号进行解调：demodulatedData = demodulator(receivedSignal);c.计算误码率（BER）：ber = errorRate(data, demodulatedData);4.可选择性的结果输出和显示。

我们可以通过输出误码率（BER）并进行可视化的方式来评估QPSK系统的性能。

QPSK调制解调器的设计及FPGA实现一、本文概述随着无线通信技术的飞速发展，调制解调器作为信息传输的关键部分，其性能对整个通信系统的稳定性和可靠性有着至关重要的影响。

四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）作为一种高效且稳定的调制方式，在无线通信中得到了广泛应用。

本文旨在深入研究QPSK调制解调器的设计，并探讨其在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）上的实现方法。

本文首先将对QPSK调制解调的基本原理进行详细阐述，包括其信号处理方式、调制解调流程以及关键性能指标。

在此基础上，我们将探讨QPSK调制解调器的设计方法，包括调制器与解调器的结构选择、参数优化等。

同时，我们还将分析影响QPSK调制解调器性能的关键因素，如噪声、失真等，并提出相应的优化策略。

为了实现QPSK调制解调器的硬件化，本文将重点研究其在FPGA 上的实现方法。

我们将首先分析FPGA在数字信号处理方面的优势，然后详细介绍如何在FPGA上设计并实现QPSK调制解调器，包括硬件架构的选择、关键模块的设计与实现、以及资源优化等方面的内容。

我们还将讨论如何在实际应用中测试和优化FPGA实现的QPSK调制解调器，以确保其性能达到最佳状态。

本文旨在深入研究QPSK调制解调器的设计及其在FPGA上的实现方法，为无线通信系统的优化和升级提供理论支持和技术指导。

通过本文的研究，我们期望能够为相关领域的工程师和研究人员提供有益的参考和启示，推动QPSK调制解调技术的发展和应用。

二、QPSK调制原理QPSK，即四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying），是一种数字调制方式，它在每一符号周期内通过改变载波信号的相位来传递信息。

QPSK调制利用四个不同的相位状态来表示两个不同的比特组合，从而实现了更高的数据传输效率。

在QPSK调制中，每个符号通常代表两个比特的信息。