基于VHDL的4PSK的設計與實現(xiàn)

基于VHDL的4PSK的設計與實現(xiàn)

　1 引言

　　實際通信中的許多信道都不能直接傳送基帶信號，必須使用基帶信號控制載波波形的某些參量，使得這些參量隨基帶信號的變化而變化，即正弦載波調(diào)制。數(shù)字通信系統(tǒng)有二進制數(shù)字調(diào)制和多進制調(diào)制兩種方式。而后者比前者具有以下特點：相同碼元傳輸率下，多進制系統(tǒng)信息傳輸率高；相同信息速率下，多進制信號碼元的持續(xù)時間長，因此碼元能量增加，抑制信號特性引起的碼間干擾。

　　這里是利用層次化、模塊化和參數(shù)化的設計方法，通過MAX+PUSSⅡ軟件平臺，設計多進制數(shù)字相位調(diào)制MPSK(M—ary Phase—Shift Keying)中的四相制4PSK(4一ary Phase—Shift Keying)的調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)。

　　2 4PSK調(diào)制解調(diào)原理

　　多進制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相調(diào)制，它是利用載波的多種不同相位來表征數(shù)字信號的調(diào)制方式。多進制數(shù)字相位調(diào)制有絕對相位調(diào)制和相對相位調(diào)制兩種。本設計是4進制絕對相位調(diào)制4PSK。4PSK的基帶信號只有“0”、“1”、“2”、“3”四個電平值，在π／4體系的調(diào)制方式下，其調(diào)制信號所對應的相位分別為45°、135°、225°、315°。其典型波形如圖1所示。4PSK的產(chǎn)生方法有直接調(diào)相法和相位選擇法。對于可編程邏輯器件，利用直接調(diào)相法產(chǎn)生調(diào)制信號時，相對運算量較大，因此選用相位選擇法。圖2為4PSK相位選擇調(diào)制原理圖。

　　利用基帶信號控制4個不同開關，選通不同的載波通路。當基帶信號是“0”時，選通通路0，且關閉其他3個通路，使得調(diào)制信號對應的載波的相位為45°。同理基帶信號分別是“1”、“2”、“3”時，調(diào)制信號對應的載波相位分別為135°、225°、315°。

　　對于4PSK的解調(diào)，采用相位判別法，在調(diào)制信號中檢測出相位變化的位置，隨后根據(jù)起始相位對應于調(diào)制信號中心位置的距離辨別出相位數(shù)值，再利用載波和基帶信號之間的對應關系，解調(diào)出基帶信號。

　　3 功能模塊設計

　　3．1 載波信號的產(chǎn)生

　　若利用級數(shù)計算方法產(chǎn)生正弦載波，則計算量較大。因此這里采用查表法產(chǎn)生正弦載波，即將一個周期的正弦波通過100點采樣得到時域離散信號，并存儲采樣數(shù)據(jù)，若產(chǎn)生一個周期的正弦波，可依次讀取存儲的數(shù)據(jù)。若每一個不同相位的載波信號都利用查表法產(chǎn)生。則需存儲400個數(shù)據(jù)，因此需占用大量硬件資源。起始相位為0°的載波對應100個采樣信號，而經(jīng)過計算可知。起始相位為45°的載波是在起始相位為0°的載波采樣信號基礎上延遲13個采樣點。同理可得：起始相位為135°、225°、315°的載波是在起始相位為0°的載波采樣信號基礎上分別延遲38、63、88個采樣點。圖3為調(diào)制信號產(chǎn)生的程序流程。

　　利用100進制的計算器循環(huán)計數(shù)，當每完成計數(shù)100后，就產(chǎn)生一個周期的載波。對應基帶信號為“0”時，在計數(shù)結(jié)果的基礎加13作為載波采樣信號的存儲地址，產(chǎn)生的存儲地址等于高于100時，將產(chǎn)生的存儲地址減去100，所以基帶信號為“0”時，相對應的存儲地址是從13～99，隨后再從0~12，這樣就完成一個100個采樣數(shù)值的輸出，相應產(chǎn)生一個初始相位為45°的載波周期信號。同理可產(chǎn)生其他基帶信號相對應的載波產(chǎn)生，其唯一差別就是在計數(shù)結(jié)果的基礎上另加的數(shù)值不同。

　　3．2 解調(diào)

　　因為4PSK調(diào)制信號中所對應的不同基帶信號的相位也不同，所以需判斷調(diào)制信號的起始相位。因為可編程邏輯器件不能實現(xiàn)負電平，所以該設計是以8位數(shù)字信號的中值127作為基準電平。判別調(diào)制信號的初始相位時，存儲連續(xù)的載波數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)流之間的關系判斷出相位變化以及相位變化時所對應的載波幅度。相位變化出現(xiàn)的位置有2種：第1種是載波幅度值出現(xiàn)極值，但是前后載波數(shù)據(jù)流代表幅度值變化很小，相對于8位數(shù)據(jù)而言小于10個量化單位，但是變化的位置不是在幅度的最大值和最小值，在基帶信號從“O”到“1”和從“2”到“3”的兩種情況下都會出現(xiàn)相位變化；第2種是載波的幅度值跳變很大，相對于8位數(shù)據(jù)而言大于20個量化單位，在基帶信號從“1”到“3”和從“2”到“0”的兩種情況下都會出現(xiàn)相位變化。當判別出相位變化的位置時，存儲相位變化時所對應的載波數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是初始相位的載波數(shù)據(jù)幅度值，但此時還不能判斷出具體的初始相位，因為如45°和135°的載波幅度值是相等的，當?shù)玫捷d波幅度值后，再根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢，如果幅度具有增加趨勢，則是45°，如果幅度具有減小趨勢，則是135°。其解調(diào)過程的程序流程如圖4所示。

　4 整體模塊設計

　　在4PSK調(diào)制和解調(diào)的整體設計中，主要包含M序列產(chǎn)生器(M_SEOUENCE)、調(diào)制模塊(MODULATION)和解調(diào)模塊(DEMODUIATION)3個模塊，如圖5所示。其中，M序列產(chǎn)生器產(chǎn)生2位的隨機序列作為基帶信號，便于仿真和調(diào)試時波形分析；調(diào)制模塊輸入信號為基帶信號和載波信號，根據(jù)基帶信號的變化改變載波信號的頻率，產(chǎn)生4PSK的調(diào)制信號；解調(diào)模塊根據(jù)輸入的4PSK信號的半個周期所含脈沖數(shù)判斷其對應的基帶信號，最終解調(diào)出4PSK對應的基帶信號。圖6為整體模塊的仿真圖。

　　5 結(jié)束語

　　整體模塊設計方案采用模塊化和層次化的設計方法，結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便；而載波產(chǎn)生模塊設計采用查表法，減少計算量；調(diào)制信號產(chǎn)生模塊設計則是利用采樣間隔變化而不是直接存儲不同頻率的正弦波數(shù)據(jù)，節(jié)約存儲空間。本文提出的4PSK信號的調(diào)制和解調(diào)的設計方案通過軟件平臺仿真，說明結(jié)果是正確的。