2FSK與QPSK混合調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究

　　作者/毛昕蓉，陳蓉(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

　　摘要：四相相移鍵控(QPSK)以及頻移鍵控(2FSK)為常用的短距離無線數(shù)字通信制式，憑借良好的抗干擾性能以及簡單的實(shí)現(xiàn)方式，在通信領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。QPSK頻譜利用率比較高、抗干擾性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種通訊系統(tǒng)。2FSK實(shí)現(xiàn)方式簡單，可異步傳輸，抗噪和抗衰減性能好，在中低速數(shù)據(jù)傳輸中廣泛應(yīng)用。本文對(duì)QPSK與2FSK兩種調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行研究，基于二者調(diào)制解調(diào)原理，介紹一種新穎的調(diào)制解調(diào)方式，即QPSK與2FSK混合調(diào)制解調(diào)。對(duì)傳統(tǒng)QPSK和2FSK單一調(diào)制方式進(jìn)行改良，將信號(hào)混合在一起，通過同一信道同時(shí)發(fā)射，同時(shí)接收解調(diào)，提高信道利用率。

　　關(guān)鍵詞：QPSK;2FSK;混合調(diào)制

　　1 系統(tǒng)概述

　　雖然數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)種類繁多，但隨著現(xiàn)代通信需求的增長，人們對(duì)調(diào)制技術(shù)的抗干擾、天抗衰落、頻譜利用和誤差性能提出了越來越高的要求。單一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)早已不能夠達(dá)到人們的要求，因此本文提出了一種混合調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以滿足現(xiàn)代通訊的需要。

　　本文對(duì)傳統(tǒng)的QPSK和2FSK單調(diào)制方法進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)QPSK和2FSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了混合調(diào)制。QPSK碼率為2 Mbps，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為16 MHz，在9 dB信噪比情況下誤碼率小于0.1%;2FSK碼率為10 kbps，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為16 MHz，在 9 dB信噪比情況下誤碼率小于0.1%。

　　圖1是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的框圖。原始信號(hào)分為兩個(gè)信號(hào)：輸入1，輸入2，分別進(jìn)行QPSK調(diào)制以及2FSK調(diào)制。由QPSK調(diào)制產(chǎn)生的I路信號(hào)與2FSK調(diào)制產(chǎn)生的I路信號(hào)相互疊加，由QPSK調(diào)制產(chǎn)生的Q路信號(hào)和2FSK調(diào)制生成的Q路信號(hào)相互疊加。將得到的兩路信號(hào)經(jīng)過數(shù)字上變頻模塊合成一路中頻信號(hào)，其載波頻率為4 MHz，混頻后進(jìn)行發(fā)射。

　　圖2為接收機(jī)系統(tǒng)框圖。首先將接收到的RF信號(hào)經(jīng)ADC采樣量化，使其成為頻率為4 MHz的中頻信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字下變頻模塊與本振信號(hào)相乘，通過濾波分別獲得I路與Q路的混合信號(hào)(此時(shí)的兩路混合信號(hào)即為發(fā)射機(jī)端的兩路混合信號(hào))，把兩路混合信號(hào)分別送入2FSK解調(diào)模塊與QPSK解調(diào)模塊，根據(jù)QPSK和2FSK的特點(diǎn)分別對(duì)其做相應(yīng)的模塊解調(diào)工作。

　　2 仿真測量結(jié)果

　　2.1 QPSK調(diào)制模塊仿真

　　在QPSK發(fā)射機(jī)中，信源產(chǎn)生的二進(jìn)制基帶信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后生成生兩路BPSK信號(hào)，然后分別經(jīng)過雙極性變換和16倍“0”值插值。插值后引入了鏡像頻譜，并且信號(hào)的頻帶變窄，如圖3所示。因此要將“0”值插值后的信號(hào)通過低通濾波，濾除鏡像頻譜。低通濾波后，基帶信號(hào)的頻域波形如圖4所示：

　　從濾波后的頻域波形中可以發(fā)現(xiàn)，低通濾波器將“0”值插值后信號(hào)中產(chǎn)生的鏡像頻帶完全過濾掉了，只保留了原始基帶信號(hào)的頻率信息。這樣就得到了QPSK的基帶調(diào)制信號(hào)。

　　2.2 2FSK調(diào)制模塊仿真

　　圖5所示為20 KHz的正弦NCO和40 KHz正弦NCO的輸出信號(hào)接入選通器，生成的2FSK_I路信號(hào)，將兩個(gè)頻率的余弦NCO輸出信號(hào)接入另一個(gè)選通器，生成2FSK_Q路信號(hào)，Q路與I路信號(hào)始終有著90°相位差，采用這種特殊波形，在碼元相關(guān)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)只會(huì)生成一個(gè)相關(guān)峰，大大優(yōu)化了峰值檢測和判決的準(zhǔn)確度。圖6所示波形為I路的2FSK信號(hào)與QPSK信號(hào)相加后的波形。

　　2.3 QPSK解調(diào)模塊仿真

　　混合信號(hào)的頻譜分量包含20 KHz、40 KHz、1 MHz，在發(fā)射端通過正交上變頻模塊經(jīng)過4 MHz的上變頻后，頻譜進(jìn)行了4 MHz的搬移，因此在接受端需首先經(jīng)過4 MHz的下變頻，然后經(jīng)過一個(gè)截止頻率為4 MHz的低通濾波器，濾除多余的頻譜分量，便得到了頻譜在0附近的2FSK頻譜分量和QPSK頻譜分量，再經(jīng)過一個(gè)截止頻率為50 KHz的高通濾波器，我們便能得到僅含QPSK頻率分量的頻譜圖，從而濾掉2FSK進(jìn)行QPSK的解調(diào)。

　　在QPSK解調(diào)中，我們采取星座圖解調(diào)的方法，首先進(jìn)行兩個(gè)16 bit的前頭碼相關(guān)，找到相關(guān)峰后如圖7，便可以確定信號(hào)的起始位置建立新的星座圖坐標(biāo)系如圖8所示。

　　2.4 2FSK接收機(jī)系統(tǒng)定點(diǎn)仿真

　　正交解調(diào)后，我們將2FSK信號(hào)進(jìn)行了40倍抽取，這樣是為了降低采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，降低數(shù)據(jù)處理量。對(duì)I路與Q路信號(hào)分別進(jìn)行碼元“0”和碼元“1”相關(guān)，相關(guān)后求平方和，從而得到數(shù)值為正的相關(guān)峰。進(jìn)行相關(guān)后的波形如圖9、10所示。圖中很容易看出兩種符號(hào)相關(guān)后的波形存在類似于“互補(bǔ)”狀態(tài)的幅值，每個(gè)相關(guān)峰對(duì)應(yīng)檢測出一個(gè)2FSK數(shù)據(jù)，最終解調(diào)得到2FSK波形。

　　2.5 混合調(diào)制模式下性能測試

　　在通信過程中，難免會(huì)引入噪聲，白噪聲是通信中經(jīng)常遇到的噪聲中的一種，在噪聲的干擾下，會(huì)影響通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，因此需要進(jìn)行性能評(píng)估。根據(jù)系統(tǒng)性能要求，對(duì)噪聲從0 dB~11 dB進(jìn)行測試，找到誤碼率達(dá)到千分之一以下時(shí)的信噪比。如圖為誤碼率曲線：

　　從圖中可以發(fā)現(xiàn)QPSK在8 dB時(shí)，誤碼率為千分之 一，達(dá)到誤碼要求;2FSK誤碼率在8 dB時(shí)低于千分之一，滿足系統(tǒng)要求。

　　3 結(jié)論

　　本文對(duì)傳統(tǒng)的2FSK和QPSK單一調(diào)制方式進(jìn)行了深入學(xué)習(xí)和改進(jìn)，將兩種調(diào)制信號(hào)進(jìn)行混合，在同一信道完成同時(shí)接收和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了QPSK與2FSK混合調(diào)制解調(diào)，提升了傳輸信道的頻帶利用效率。另外，本文為實(shí)現(xiàn)其它混合模式的調(diào)制奠定基礎(chǔ)，相信在不久的將來會(huì)有更多的混合調(diào)制涌現(xiàn)。

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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第66頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處