摘 要

本文讨论了一个集成于Altera公司FPGA的π/4-DQPSK(π/4差分正交相移键控)的调制解调系统，该系统无需外部LPF滤波器、调制器，或混频器等^[1]。

本文着重讲述了基于π/4-DQPSK技术的调制和解调的原理。对于调制原理部分，介绍了π/4-DQPSK与OQPSK和DPSK技术的区别与优势，通过对该调制方式的星座图、数学表达式层面的推导以及整个调制流程进行了介绍，其中重点介绍了差分相位编码和成型滤波部分。对于解调的原理部分，通过数学表达式的推导，制定了基带差分解调和中频差分解调两种解调方案，并以流程图的方式呈现。

最后，详尽地介绍了该系统在FPGA器件中的具体的实现，包括设计思路和设计步骤等。采用verilog语言编写调制和解调方案中的各个模块，在quartus II中以BDF文件的方式，将所有的模块进行组合、测试、和联调。然后采用先进的仿真软件modelsim进行仿真。从结果可以看出，解调后的信号输出与信源一致，则解调成功。

关键词：FIR滤波器；调制解调；带宽；可编程门阵列

Abstract

This article discusses a π/4-DQPSK (π/4 differential quadrature phase shift keying) modulation/demodulation system integrated into Altera's FPGAs, eliminating the need for external LPF filters, modulators, or mixers ^[1] . The entire system's modulation and filtering are digitally implemented to improve noise immunity.
This article mainly introduces π/4-DQPSK modulation and demodulation principles. For the modulation principle part, the differences and advantages of π/4-DQPSK and OQPSK and DPSK techniques are introduced. The constellation diagram of the modulation method, the derivation of the mathematical expression level and the entire modulation process are introduced. Phase encoding and shaping filters. For the principle part of demodulation, two demodulation schemes of baseband differential demodulation and intermediate frequency differential demodulation have been developed through the derivation of mathematical expressions, and presented in the form of a flow chart.
Finally, the specific implementation of this system in the FPGA device is introduced in detail, including design ideas and design steps. Each module in the modulation and demodulation scheme is written in Verilog language, and all modules are combined, tested, and combined in quartus II as a BDF file. Then use advanced simulation software modelsim to simulate. As can be seen from the results, the demodulated signal output is consistent with the source, and demodulation is successful.

Keywords: FIR filter; modulation and demodulation ;bandwidth; FPGA

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文内容以及章节安排 2

第2章 π/4-DQPSK的调制和解调原理 3

2.1 π/4-DQPSK的调制原理 3

2.1.1 差分相位编码 6

2.1.2 脉冲成型滤波 7

2.2 π/4-DQPSK的解调 10

2.2.1 π/4-DQPSK的解调方式比较 10

2.2.2 π/4-DQPSK基带差分解调 10

2.2.3 π/4-DQPSK中频差分解调 12

第3章 π/4-DQPSK系统的FPGA设计 14

3.1 π/4-DQPSK调制设计 14

3.1.1 时钟源设计 14

3.1.2 信源设计 14

3.1.3 串并转换模块 16

3.1.4 差分相位编码 17

3.1.5 成型滤波器设计 19

3.1.6 数字控制振荡器产生 21

3.1.7 正交载波调制 23

3.2 π/4-DQPSK的解调的FPGA设计 24

3.2.1 π/4-DQPSK的基带差分解调的FPGA设计 24

3.2.2 π/4-DQPSK的中频差分解调的FPGA设计 27

第4章 总结与展望 30

4.1 总结 30

4.2 进一步研究 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 目的与意义

近年来，人们对通信技术不断的探索，使得通信技术得到飞跃的发展^[2]。毫无疑问，通信的发展对国家经济有极大的促进作用，同时也对人们的沟通方式带来了一场变革。5G是最新一代的移动通信技术，再次极大的提高了各种通信性能。5G通信，旨在满足2020年后的移动通信的技术需求，具有低成本、更稳定、安全可靠等特点^[3]。同时传输速率提高到原来的几十倍到一百倍，峰值速率可以达到10Gbit/s，频谱效率也提高到原来的5到10倍。未来的5G通信技术部署完成后，将给用户带来更好的体验，极大的满足人们对信息获取的及时性、高速性等，更好的满足用户体验。

众所周知，无线通信的信道十分有限，在空中传播具有多径效应，终端移动的过程中还存在多普勒效应，以及各种无法避免的衰落^[2][4]。这些难题对现代数字通信系统的设计带来了很大的阻碍，也对系统的性能有较高的要求。现如今常用的调制技术有QPSK、QAM、MSK等相位或者幅度调制方式^[1]。随着近些年对相位调制的研究发现，π/4-DQPSK调制技术具有频谱包络波动小、利用率高、抗摔落性能好等特点。除此之外，还具有对抗多径效应等众多优点。最大的优势在于提高频谱利用率的同时仍保证较低的误码率 ^[5]。因此，在现代无线通信系统设计中，π/4-DQPSK调制技术应用较为广泛^[6]。

近年，软件无线电技术愈发成熟^[7]，数字通信也逐步替代了传统的模拟通信技术。我国的移动通信早在2G系统中就采用了数字通信，足以见得数字通信技术的性能远远高于传统的模拟通信。然而数字通信的快速发展得益于高速数字信号处理信号芯片迅猛发展。特别是以FPGA和DSP为代表的器件，在数字信号处理应用中有着得天独厚的优势，FPGA以其可编程的门阵列组合，使得信号计算延时大大降低。另外，现如今的FPGA厂商的开发环境都提供了丰富的IP核以方便开发人员快速的设计^[8]。例如，美国的Altera公司和xilinx公司，在中国国内，这两家公司也是PFGA芯片市场上销售量和使用率最高的公司。DSP与传统的主控芯片有一定的区别，传统的微处理器基于指令集工作的，而DSP器件是内部集成了专门的硬件乘法器的微处理器，这样的硬件乘法器与传统微处理器的运算器的运算相比，大大降低了计算的时延，同时DSP芯片也提供指令，可以快速地完成各种常用的数字信号处理的算法，降低设计难度、提高设计效率^[9]。

调制是为了在给定的带通介质上传输信息而改变载波的一些特性的过程^[1]，这些特性包括载波的幅度、相位、频率等。这个过程通常是用基带信号乘以载波然后过滤这样得到的频谱,使其适用于可用的带宽。调制技术作为通信领域的关键技术，好的调制和解方案极大程度上影响着通信的质量。

大多数现代数字调制器由数字电路和模拟电路结合而成。信号映射和滤波等功能在基带频率处以数字方式完成，结果信号由外部模拟RF混频器调制。这种混合信号方法允许在较低频率下使用数字信号处理技术，但仍然会涉及到高频调制。

许多数字发射机使用重复算法生成基带信号，特别适合使用DSP技术以高时钟速度进行处理。基带频率高达几百kHz可以通过当前的DSP时钟速度处理。尽管如此，考虑到调制方案和滤波要求的一些性质，在FPGA上实现的并行处理可以大大提高系统的速度。

1.2 国内外研究现状

数字多进制相位调制由于其简单性而在过去几十年中得到了广泛的研究和发展，特别是与其竞争对手的正交幅度调制(QAM)相比时更是如此。π/4-DQPSK尽管已经在美国，日本和欧洲标准(如TDMA蜂窝系统和Bluetooth-EDR V2.0)上成功实施，但这种QPSK的变体仍然是深入研究的焦点^[10]。我国也曾使用了该项技术作为标准。

π/4-DQPSK美国贝尔实验室首次提出的，最初的应用主要是电话线数据的调制，当时的码率仅为24kbps，载频为18kHz。后来随着FPGA在通信中应用逐渐成熟，加拿大萨省大学科研团队做出了基于FPGA的传输系统，速率提高到5Mbps。可见π/4-DQPSK的调制技术使用的广泛性。我国对π/4-DQPSK技术的研究也较为深入，如北京理工大学硕士安思宁、学者张梦和张有志、赵杭生和甘仲民等大批学者都对π/4-DQPSK技术进行了深入的研究。此外，π/4-DQPSK调制技术也应用于我国的数字集群移动通信系统中。

1.3 论文内容以及章节安排

本论文对π/4-DQPSK调制解调系统进行了深入的原理分析和仿真实现。主要使用quartus II、modelsim和MATLAB等工具。本文的内容安排如下：

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