基于CPLD器件和EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)QDPSK調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)

隨著無(wú)線通信頻帶資源的日益緊張，無(wú)線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。微波是一種無(wú)線電波，它傳送的距離一般只有幾十千米。但微波的頻帶很寬，通信容量很大。微波通信每隔幾十千米要建一個(gè)微波中繼站。衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面上兩個(gè)或多個(gè)地球站之間或移動(dòng)體之間建立微波通信聯(lián)系。四相相移鍵控信號(hào)簡(jiǎn)稱(chēng)"QPSK".它分為絕對(duì)相移和相對(duì)相移兩種。由于絕對(duì)相移方式存在相位模糊問(wèn)題，所以在實(shí)際中主要采用相對(duì)移相方式QDPSK.它具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。在數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式中QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式，它具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性、在電路上實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。

基帶信號(hào)是原始的電信號(hào)，一般是指基本的信號(hào)波形，在數(shù)字通信中則指相應(yīng)的電脈沖。在無(wú)線遙測(cè)遙控系統(tǒng)和無(wú)線電技術(shù)中調(diào)制就是用基帶信號(hào)控制高頻載波的參數(shù)（振幅、頻率和相位），使這些參數(shù)隨基帶信號(hào)變化。用來(lái)控制高頻載波參數(shù)的基帶信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。未調(diào)制的高頻電振蕩稱(chēng)為載波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脈沖序列等）。

1 QDPSK調(diào)制解調(diào)的原理

在實(shí)際的調(diào)諧解調(diào)電路中，采用的是非相干載波解調(diào)，本振信號(hào)與發(fā)射端的載波信號(hào)存在頻率偏差和相位抖動(dòng)，因而解調(diào)出來(lái)的模擬I、Q基帶信號(hào)是帶有載波誤差的信號(hào)。這樣的模擬基帶信號(hào)即使采用定時(shí)準(zhǔn)確的時(shí)鐘進(jìn)行取樣判決，得到的數(shù)字信號(hào)也不是原來(lái)發(fā)射端的調(diào)制信號(hào)，誤差的積累將導(dǎo)致抽樣判決后的誤碼率增大，因此數(shù)字QPSK解調(diào)電路要對(duì)載波誤差進(jìn)行補(bǔ)償，減少非相干載波解調(diào)帶來(lái)的影響。此外，ADC的取樣時(shí)鐘也不是從信號(hào)中提取的，當(dāng)取樣時(shí)鐘與輸入的數(shù)據(jù)不同步時(shí)，取樣將不在最佳取樣時(shí)刻進(jìn)行所得到的取樣值的統(tǒng)計(jì)信噪比就不是最高，誤碼率就高，因此，在電路中還需要恢復(fù)出一個(gè)與輸入符號(hào)率同步的時(shí)鐘，來(lái)校正固定取樣帶來(lái)的樣點(diǎn)誤差，并且準(zhǔn)確的位定時(shí)信息可為數(shù)字解調(diào)后的信道糾錯(cuò)解碼提供正確的時(shí)鐘。校正辦法是由定時(shí)恢復(fù)和載波恢復(fù)模塊通過(guò)某種算法產(chǎn)生定時(shí)和載波誤差，插值或抽取器在定時(shí)和載波誤差信號(hào)的控制下，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的取樣值進(jìn)行抽取或插值濾波，得到信號(hào)在最佳取樣點(diǎn)的值，不同芯片采用的算法不盡相同，例如可以采用據(jù)輔助法（DA）載波相位和定時(shí)相位聯(lián)合估計(jì)的最大似然算法。

2PSK信號(hào)與2ASK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式在形式上是完全相同的，所不同的只是兩者基帶信號(hào)s（t）的構(gòu)成，一個(gè)由雙極性NRZ碼組成，另一個(gè)由單極性NRZ碼組成。因此，求2PSK信號(hào)的功率譜密度時(shí)，也可采用與求2ASK信號(hào)功率譜密度相同的方法。

在2PSK（二進(jìn)制絕對(duì)移相鍵控）信號(hào)相干解調(diào)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生180°相位模糊，同樣，對(duì)QPSK信號(hào)相干解調(diào)也會(huì)產(chǎn)生相位模糊問(wèn)題，并且是0°、90°、180°和270°等4個(gè)相位模糊。因此，在實(shí)際中更實(shí)用的是四相相對(duì)移相調(diào)制，即QDPSK方式。

QDPSK信號(hào)是利用前后碼元之間的相對(duì)相位變化來(lái)表示數(shù)字信息。實(shí)現(xiàn)四相差分移相調(diào)制的方法有正交調(diào)幅法和相位選擇法。相位選擇法QDPSK調(diào)制器具有硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用，并且這種調(diào)制器非常適合數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。圖1為用相位選擇法產(chǎn)生QDPSK信號(hào)的組成框圖。

圖1中首先把二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換，割裂成并列的2行，每串?dāng)?shù)據(jù)的速率是原數(shù)據(jù)速率的一半；然后對(duì)2路信號(hào)進(jìn)行差分編碼；四相載波發(fā)生器分別送出調(diào)相所需的4種不同相位的載波。按照串/并變換器輸出的雙比特碼元的不同，邏輯選相電路輸出相位的載波。

QDPSK的解調(diào)有相干解調(diào)加碼反變換法（極性比較法）和差分相干解調(diào)（相位比較法）。QDPSK相干解調(diào)加碼反變換法解調(diào)框圖如圖2所示。

圖2所示解調(diào)原理是：對(duì)QDPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出2路相對(duì)碼，經(jīng)過(guò)碼反變換器變換為2路絕對(duì)碼，再經(jīng)過(guò)并/串轉(zhuǎn)換器，從而恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)字信息。在解調(diào)過(guò)程中，由于載波相位模糊性的影響，使得解調(diào)出的相對(duì)碼也可能發(fā)生倒置，但經(jīng)差分澤碼（碼反變換）得到的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊性的問(wèn)題。

2 基于CPLD的QDPSK調(diào)制解調(diào)電路

2.1 QDPSK調(diào)制電路

基于CPLD的QDPSK調(diào)制電路如圖3所示。

圖3所示QDPSK調(diào)制電路引腳關(guān)系為：引腳k1表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器4count的八分頻輸出，引腳k2表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘k1的二分頻輸出，引腳ac和bc表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk的二分頻輸出和二分頻反相輸出，引腳c0和c2表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘ac的二分頻輸出和二分頻反相輸出，引腳c1和c3表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘bc的二分頻輸出和二分頻反相輸出，c0、c1、c2和c3組成四相載波。引腳cx和cy表示信碼數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換后，在同步時(shí)鐘的作用下差分編碼后的輸出，引腳qdpsk表示輸入的信碼數(shù)據(jù)在同步時(shí)鐘的作用下四相差分移相鍵控信號(hào)輸出。

圖3所示電路器件均可從MAX+PLUSⅡ器件庫(kù)中調(diào)用。其中二分頻電路涮用1個(gè)D觸發(fā)器和1個(gè)非門(mén)組成；串并轉(zhuǎn)換電路調(diào)用4個(gè)D觸發(fā)器組成；差分編碼電路調(diào)用2個(gè)二異或門(mén)、2個(gè)D觸發(fā)器、4個(gè)2與門(mén)、2個(gè)或非門(mén)和2個(gè)非門(mén)組成：四相選相電路調(diào)用1個(gè)74153組成。調(diào)制電路在MAX+PLUSⅡ平臺(tái)上編譯、仿真通過(guò)后，打包產(chǎn)生qdpskb組件。

2.2 QDPSK解調(diào)電路

基于CPLD設(shè)計(jì)的QDPSK解調(diào)電路如圖4所示。

CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶(hù)根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（"在系統(tǒng)"編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

圖4所示QDPSK解調(diào)電路引腳關(guān)系為：引腳clk表示恢復(fù)的數(shù)據(jù)時(shí)鐘，引腳k1表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器4count的八分頻輸出，引腳k2表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘k1的二分頻輸出，引腳ac和bc表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk的二分頻輸出和二分頻反相輸出，引腳c0和c2表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘ac的二分頻輸出和二分頻反相輸出，引腳c1和c3表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘bc的二分頻輸出和二分頻反相輸出，c0、c1、c2和c3組成四相載波。引腳qdpsk表示四相差分移相鍵控信號(hào)輸入，引腳qx和qy表示四相差分移相鍵控信號(hào)的相干解調(diào)輸出。引腳x和y表示相干解調(diào)輸出在同步時(shí)鐘的作用下差分譯碼后的輸出，引腳out表示信碼差分譯碼后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換恢復(fù)的信碼數(shù)據(jù)輸出。

電路器件從MAX+PLUSⅡ器件庫(kù)中調(diào)用。其中二分頻電路調(diào)用1個(gè)D觸發(fā)器和1個(gè)非門(mén)組成；相干解調(diào)電路調(diào)用3個(gè)異或門(mén)、6個(gè)D觸發(fā)器組成；差分譯碼電路調(diào)用2個(gè)D觸發(fā)器、3個(gè)異或門(mén)、5個(gè)非門(mén)、4個(gè)與門(mén)和2個(gè)或非門(mén)組成；并串轉(zhuǎn)換電路調(diào)用2個(gè)非門(mén)、2個(gè)與門(mén)、1個(gè)或門(mén)和1個(gè)D觸發(fā)器組成。

2.3 利用CPLD設(shè)計(jì)的QDPSK調(diào)制解調(diào)電路

將設(shè)計(jì)的QDPSK調(diào)制電路"qdpskb"組件和解調(diào)電路"qdpsky"組件連接在一起，為了仿真實(shí)驗(yàn)方便，信碼數(shù)據(jù)輸入采用四級(jí)偽隨機(jī)碼電路--從MAX+PLUSⅡ器件庫(kù)中調(diào)用4個(gè)D觸發(fā)器、2個(gè)異或門(mén)和1個(gè)四或非門(mén)，解調(diào)電路中位定時(shí)恢復(fù)電路產(chǎn)生的數(shù)據(jù)時(shí)鐘直接采用qdpsk調(diào)制電路數(shù)據(jù)時(shí)鐘，調(diào)制解調(diào)電路直接相連，組成的QDPSK調(diào)制解調(diào)電路如圖5所示。

QDPSK調(diào)制解調(diào)電路的引腳關(guān)系為：引腳clk表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入，引腳k1表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk的八分頻輸出，引腳data表示四級(jí)偽隨機(jī)碼電路數(shù)據(jù)輸出，引腳c0、c1、c2、c3表示四相載波。引腳p1和p2表示信碼數(shù)據(jù)data在時(shí)鐘的作用下串并轉(zhuǎn)換后的輸出，引腳cx和cy表示差分編碼后的輸出，引腳qdpsk表示四相差分移相鍵控信號(hào)輸出。引腳qx和qy表示四相差分移相鍵控信號(hào)的相干解調(diào)輸出，引腳x和y表示差分譯碼后的輸出，引腳out表示信碼差分譯碼后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換恢復(fù)的信碼數(shù)據(jù)輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用MAX+PLUSⅡ開(kāi)發(fā)工具建立波形輸入文件，在File菜單里面選擇New打開(kāi)新建文件類(lèi)型對(duì)話(huà)框，選擇Waveform Editor File項(xiàng)，單擊"OK".在波形編輯器窗口的Name下單擊鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)浮動(dòng)的菜單，選擇Enter Nodesfrom SNF…可以打開(kāi)"從SNF文件輸入觀測(cè)點(diǎn)"的對(duì)話(huà)框。在Type區(qū)選擇Input和Output,在默認(rèn)的情況下是打開(kāi)的，單擊"List"按鈕，可在Available Nodes&Groups區(qū)看到設(shè)計(jì)文件中使用的輸入/輸出信號(hào)，單擊"=>"按鈕可以將這些信號(hào)選擇到Selected N0des&Groups區(qū)。單擊"OK"按鈕，關(guān)閉對(duì)話(huà)框即可看到波形編輯窗口，將此波形文件保存為默認(rèn)名。在波形文件中添加輸入/輸出信號(hào)名后，就可以開(kāi)始對(duì)輸入信號(hào)建立波形了。QDPSK調(diào)制解調(diào)電路仿真波形如圖6所示。

圖6中"clk"表示輸入時(shí)鐘，"c0"、"c1"、"c2"、"c3"表示四相載波。"k1"表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘clk的八分頻輸出，"data"表示

四級(jí)偽隨機(jī)碼電路數(shù)據(jù)輸出，"p1"、"p2"表示信碼數(shù)據(jù)data串并轉(zhuǎn)換后的輸出，"cx"、"cy"表示信碼數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換后差分編碼的輸出，"qdpsk"表示輸入的信碼數(shù)據(jù)四相差分移相鍵控信號(hào)輸出。"qx"、"qy"表示四相差分移相鍵控信號(hào)的相干解調(diào)輸出，"x"、"y"表示相干解調(diào)輸出后差分譯碼輸出，"out"表示信碼差分譯碼后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換恢復(fù)的信碼數(shù)據(jù)輸出。

仿真結(jié)果表明：QDPSK調(diào)制電路能正確選相，解調(diào)電路輸出數(shù)據(jù)在延時(shí)約5.2μs后，與QDPSK調(diào)制輸入數(shù)據(jù)完全一致。

將綜合后生成的網(wǎng)表文件通過(guò)ByteBlaste下載電纜，以在線配置的方式下載到CPLD器件EPM7128SLC84-15中，從而完成了器件的編程。上電后，在輸入端加入數(shù)據(jù)時(shí)鐘，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)試調(diào)制解調(diào)電路輸出，實(shí)測(cè)結(jié)果完全正確，表明達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文利用CPLD器件，設(shè)計(jì)出的QDPSK調(diào)制解調(diào)電路，利用了EDA技術(shù)中的MAX+PLUSⅡ作為開(kāi)發(fā)工具，將設(shè)計(jì)的電路圖綜合成網(wǎng)表文件寫(xiě)入其中，制成ASIC芯片。其突出優(yōu)點(diǎn)是自頂向下設(shè)計(jì)，查找和修改錯(cuò)誤方便，同時(shí)先仿真，正確后再下載測(cè)試并應(yīng)用，具有較大的靈活性；調(diào)制和解調(diào)放在一塊芯片上，集成度非常高；解調(diào)電路輸出數(shù)據(jù)延時(shí)約5.2μs,數(shù)據(jù)速率快。本文提出的QDPSK調(diào)制解調(diào)電路，已應(yīng)用于小型數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。