摘要：介紹了QDPSK信號的優點，并分析了其實現原理，提出一種QDPSK高性能數字調制器的FPGA實現方案。采用自頂向下的設計思想，將系統分成串／并變換器、差分編碼器、邏輯選相電路、四相載波發生器等4大模塊，用原理圖輸入、VHDL語言設計和調用PLL核相結合的多種設計方法，分別實現了各模塊的具體設計，并給出了其在QuartusⅡ環境下的仿真結果。結果表明，基于PLL的QDPSK調制器，設計簡單，便于修改和調試，性能穩定。
關鍵詞：QDPSK；串／并變換；數字調制器；FPGA
FPGA器件(Field Programmable Gate Array)是八十年代中期出現的一種新概念。利用FPGA技術設計的產品具有重量輕、體積小、速度快、保密程度高、功耗低等特點，極大地提高了產品的性價比和競爭力，大大縮短了設計周期，減少了設計費用，降低了設計風險。
數字調制信號又稱為鍵控信號，調制過程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進行調制。這種調制的最基本方法有3種：振幅健控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)。根據所處理的基帶信號的進制不同，它們可分為二進制和多進制調制(M進制)。多進制數字調制與二進制相比，其頻譜利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多進制相移鍵控)中應用較廣泛的一種調制方式，該方式廣泛應用于衛星通信、電纜調制解調、視頻會議系統、蜂窩電話和其他數字通信領域。然而QPSK信號在解調的時候易產生相位模糊問題，即可能會產生0、π／2、π、3π／2 4種相位模糊。解決的方法就是采用四進制差分相位鍵控(QDPSK)，對于相對移相，基帶信號是由相鄰兩碼元相位的變化來表示，它與載波相位無直接關系，即使采用同步解調也不存在相位模糊問題，因此在實際設備中相對移相得到了廣泛運用。本文研究了基于FPGA的QDPSK調制電路的實現方法，重點闡述了串／并變換、差分編碼、四相載波發生器等電路的原理與實現方法，并給出了其在QuartusⅡ環境下的仿真結果。
1 QDPSK調制原理
1．1 四相絕對移相鍵控(QDPSK)
相對調相(相對移相)，即DPSK(Differential Phase Shift Keying)，也稱為差分調相，這種方式用載波相位的相對變化來傳送數字信號，即利用前后碼之間載波相位的變化表示數字基帶信號。在QDPSK信號中，若以前一雙比特碼元相位作為參考，并令△φ為當前雙比特碼元的相位差，則可得到雙比特碼元與載波相位變化關系如表1所示，從表中可以看出，A方式中，載波相位互差π／2，實現比較容易，因此采用A方式。
1．2 QDPSK的調制方法
QDPSK的產生方法可采用調相法和相位選擇法。圖1為相位選擇法產生QDPSK的原理框圖。在圖1中，四相載波發生器分別送出調相需的4種頻率相同、相位互差π／2的載波，輸入二進制數字基帶信號經串／并變換為四進制數字基帶信號，經差分編碼變為四進制差分碼，邏輯選相電路根據差分編碼后的雙比特碼cd，每隔時間間隔T選擇輸出其中一種相位的載波。虛線內的信號均為數字信號，可直接利用FPGA來實現ODPSK調制。
2 QDPSK數字調制器的實現
2．1 串／并轉換、相位選擇的實現
順序輸入的二進制信息經過串／并變換器，變換成速率減半的雙比特序列，可采用2個D觸發器來實現，其原理如圖2所示。其中DFFinst和DFFinst3構成一個兩位移位寄存器，將串行輸入信號變成并行輸出信號；DFFinst4和NOTinst8構成二分頻器，實現速率減半；DFFinst1和DFFinst2為鎖存器，使信號同步輸。圖3為串／并變換器s-p的仿真結果，其中AB為變換后的雙比特碼元。由圖可以看出，當輸入DataAB為01010101時，在延時約80 ns后，輸出DataA為0000。DataB為1111。邏輯選相電路主要實現在4種不同的相位中選擇一種輸出，即四選一電路，電路結構簡單，用VHDL語言或組合邏輯電路均可實現，這里不作祥細介紹。
2．2 差分編碼器的實現
差分編碼器的功能就是實現絕對碼變換為相對碼，在相碼中，1、0分別用相鄰碼元電平是否發生跳變來表示。若用相鄰電平發生跳變來表示碼元1，則稱為傳號差分碼，記做NRZ碼。絕對碼一相對碼之間的關系為：
由表達式(1)可得到其變換電路如圖4所示。
采用VHDL設計的主體代碼如下：
經編譯后，可生成如圖5所示元件，元件名為QDPSK_PL，其中clk為系統時鐘；start為同步信號，高電平有效；datain_a和datain_b分別兩路輸入信號；dataout_a和dataout_b分別兩路輸出信號，其波形仿真圖如圖6所示。由圖6可以得到：當start為低電平時，兩路輸出信號都為0；當start信號為高電平時，對輸入信號(datain_a)有：datain_a=011111111001，此時dataout_a=010101010001，對輸入信號(datain_b)有：datain_b=011110111101，此時Dataout_b=010100101001，由此可以得出，元件QDSP_PL實現了由絕對碼到相對碼的變換。
2．3 四相載波發生器的實現
由圖3可知，四相載波發生器主要產生4種頻率相同、相位互差π／2的載波信號。實現四相載波有很多種不同方法。可先由振蕩電路產生一定頻率的信號，再利用RC移相電路得到不同相位的波形；也可以利用NCO的Implementation項目設置啟用相位調制功能，通過設置相位調制精度輸出4種不同的相位。該系統利用QuartusⅡ5．2內部的PLL直接產生clk0和elk1兩路頻率相同、相位相差π／2的信號，再用2個非門分別對clk0和clk1取反，得到clk2和clk3。這樣就可以實現四相載波發生器的功能，其原理圖如圖7所示，圖8為輸出波形仿真圖。
把上述各部分所生的symbol在QuartusⅡ5．2提供的BlockDiagram／SchematicFile中用Graphic Editor編輯連接起來，就形成了圖1的虛線所示的部分，編譯后進行整體模塊仿真，經過器件編程，可將整體模塊程序燒寫到合適的FPGA芯片中，再配以相應的D／A器件及其他外圍電路，調試后即完成設計。
3 結束語
用FPGA來實現QDPSK信號發生器，電路簡單，設計靈活，便于修改和調試，可靠性高。另外，Ahera公司的QuartusⅡ5.2應用軟件具有較強大的開放性和綜合性。它可以利用其他各種EDA資源以及先進的設計方法，使其功能更加完善和強大。它可以實現從簡單的接口電路設計到復雜的狀態機，甚至“Sys-temon Chip”。它的可編程特性帶來了電路設計的靈活性，縮短了產品的“Time ToMarket”。
本文作者創新點：基于PLL提出了一種QDPSK的FPGA實現方案，采用自頂向下的設計思想，將系統分成串／并變換器、差分編碼器、邏輯選相電路、四相載波發生器等4大模塊，用原理圖輸入、VHDL語言設計和調用PLL核相結合的多種設計方法，分別實現了各模塊的具體設計，該方案極大地簡化了系統的設計過程和難度，甚至可做到不需要編寫任何程序實現QDPSK調制器的設計。