基于现代DSP技术的QPSK调制器的设计

摘要：为了提高DSP系统的开发效率，引入了现代DSP技术，并由此设计了QPSK调制器。依据QPSK调制的基本原理，利用MATLAB／Simulink DSP Builder和Quartusll搭建模型，在模块的形成方式上，采用DSP Builder中的模块代替VHDL编程，在同一平台上实现了系统建模和硬件实现的有机结合，然后利用ALTERA公司提供的Signal Compile进行编译，产生VHDL源程序，同时，采用ALTERA公司的Cyclone系列芯片EP2C35F6 72C6N实现QPSK调制。结果表明，该方法提高了设计的灵活性，通过软件仿真和硬件测试验证了方案的正确性和可行性。
关键词：四相相移键控调制；FPGA；现代DSP技术；QuartusⅡ

四相相移键控调制(Quaternary Phase Shift Keying，QPSK)是一种线性窄带数字调制技术，它已经在数字调制技术中占有重要的地位，被广泛地应用于卫星通信、移动通信、视频会议系统、蜂窝电话和其它数字通信领域。具有频带利用率高、频谱特性好、抗衰落性能强、较低的比特错误率等优点。
DSP技术主要是指将DSP的基本理论和算法付诸实现的途径和方法。传统的DSP技术是当前广泛使用的DSP处理器的解决方案，而这种解决方案日益面临着不断增加的巨大挑战，自身的技术瓶颈导致这种解决方案在DSP许多新的应用领域中的道路越走越窄。而现代DSP技术是相对于传统DSP技术而言的，是基于可编程片上系统SOPC(System on a Programmable Chip)技术、EDA技术与FPGA实现方式的DSP技术，是现代电子技术发展的产物，它有效地克服了传统DSP技术中的许多瓶颈，在许多方面显示了突出的优势，如高速与实时性，高可靠性，自主知识产权化，系统的重配置与硬件可重构性，单片DSP系统的可实现性以及开发技术的标准化和高效率。QPSK设计采用MATLAB／Simulink DSP Builder开发出用于QPSK调制的正交信号产生单元，在电路模块的形成方式上用DSP Builder的模块调用代替繁琐的VHDL程序，从而方便的得到了所需的结果。系统的实现以FPGA为物理载体，与传统的基于硬件描述语言的设计相比，这种流程更快捷方便灵活。

1 QPSK调制原理
所谓的QPSK调制就是利用载波的四种不同相位来表征数字信息，每一种载波相位代表两个二进制代码元信息。由于每一个载波相位代表两个二进制码元信息，所以每四个二进制码元又被称为双比特码元。
QPSK信号的表示式为

将式(1)写成

I(t)，Q(t)为+1或-1。则式(3)即为QPSK的数学表达式。
QPSK信号的调制可分为相位选择法和调相法，本文采用调相法进行设计，其调制框图如下图1所示。

图1中，串／并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性码序列。设二进制数分别为a和b。双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波和正交载波进行二相调制，两路输出叠加后就可以得到QPSK信号。

2 基于DSP Buildter的QPSK设计
DSP Builder可完成图形化的系统建模、设计、仿真、把设计软件下载到FPGA开发板上。它是一个系统级的开发工具，架构在多个软件之上，并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，最大程度的发挥了两种工具的优势。DSP Builder依赖MathWorks公司的数学分析工具Matlab／Simulink，以Simulink的Blockset出现，可以在Simulink中进行图形化设计和仿真，同时通过SignalCompiler可以把Matlab ／Simulink的设计文件(．mdl)转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件(．vhd)，以及用于控制综合与编译的TCL脚本。而对后者的处理可以由FPGA／CPLD开发工具QuartusⅡ来完成。