２０１１年６月 第６期 电子测试 ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣ ＴＥＳＴ ｄｕｎ．２ｏ，１ Ｎｏ．６ 基于ＦＰＧＡ的ＢＰＳＫ调制与解调器设计★ 高磊，陈志强，吴黎慧，胡洋，蒲南江 （中北大学信息探测与处理技术研究所，山西太原０３００５１） 摘要：ＢＰＳＫ广泛用于卫星、微波通信、广播电视等诸多领域。近年来，随着智能卡、ＲＦＩＤ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等相关 技术的发展，较低码率的ＢＰＳＫ在近距离无线产品中也得到了越来越广泛的应用。本文设计实现了一种新型的 ＢＰＳＫ信号调制解调器，利用ｍ序列的随机性来产生输入基带信号，详细介绍了基于ＦＰＧＡ的ＢＰＳＫ信号调制解调 器的设计方法，提供了ＶＨＤＬ源代码在Ｑｕａｒｔｕｓ １Ｉ环境下的仿真结果。整个系统的功能均在ＡＣＥＸ１Ｋ系￣ＩＪＦＰＧＡ 上硬件实现，具有较高的实用性和可靠性。 关键词：ＢＰＳＫ；调制解调器；伪随机序列 中图分类号：ＴＮ９２５＋．９ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＢＰＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ Ｇａｏ Ｌｅｉ，Ｃｈｅｎ Ｚｈｉｑｉａｎｇ，Ｗｕ Ｌｉｈｕｉ，Ｈｕ Ｙａｎｇ，Ｐｕ Ｎａｎｊｉａｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢＰＳＫ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ，ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ，ｅｔｃ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ａｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ＣＡＲＤＳ，ＲＦＩＤ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，ｌｏｗ ｂｉｔ ｒａｔｅ ＢＰＳＫ ａｔ ｃｌｏｓｅ ｒａｎｇｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ＢＰＳＫ ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｍｓ，ｕｓｉｎｇ ｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒａｎｄｏｍ ｉｎｐｕｔ ｂａｓｅｂａｎｄ ｓｉｎａｌ ｔＯ ｐｒｏｄｕｃｅ ｄｅｔｇａｉｌｅｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＢＰＳＫ ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ＶＨＤＬ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｄｅ ｉｎ Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ＡＣＥＸＩＫ ｓｅｒｉｅｓ ＦＰＧＡ ｔｏ ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｙ ａｎｄ ｒｅｌｔｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢＰＳＫ；ｍｏｄｅｍ；ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ０引言 ＢＰＳＫ（二进制相移键控）是利用载波的相位变化来 传递数字信息，具有抗噪声陉能好、易于产生、误码率低 通过ＶＨＤＬ语言编程实现将已调信号解调出基带信号。 １基本理论 ＢＰＳＫ（二进制移相键控）是受键控的载波相位按基 带脉冲而改变的一种数字调制方式。设二进制符号及其基 带波形与以前假设的一样。那么，ＢＰＳＫ的信号形式一般 等优点。但传统的用硬件实现ＢＰＳＫ的方法，设备相对比 较复杂，成本高。本文针对ＢＰＳＫ信号的特点，提出了基 于ＦＰＧＡ的ＢＰＳＫ调制解调器的一种实现方法，这种方法 利用数字基带信号去控制输出载波相位，产生一种相位发 生跳变的ＢＰＳＫ信号，而且原理通俗易懂，电路结构简单， 容易实现。在解调器的设计中，已调信号有两个不同的相位， ★基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０５３２０８０） 为Ｅ（ｔ）＝［ａ ｇ ７１（ 一， ６）］ｃｏｓ（ｗ：），在发送二进制符 号０时，Ｅ（ｃ）取０相位；发送二进制符号ｌ时，Ｅ（【）取兀 相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的 ２ｏ１１．６ 相位键控。通常被称作为绝对移相方式， 即ＢＰＳＫ，有时 也称作２ＰＳＫ。ＢＰＳＫ原理如图１所示。 即为ＢＰＳＫ信号。 ｕ １ ０ ０ １ １ —］厂—］Ｌ 厂一． Ｌ 鏊带信号 ／、＼／、＼厂＼厂＼八／、＼ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ 载波信号 厂＼八／＾＼八 ／、／、。 Ｗ Ｖ Ｗ＼√／’ 已调信号 图３ ＢＰＳＫ调制结构图 通过Ａｌｔｅｒａ公司的集成开发环境对软件进行验证， 图１ ＢＰＳＫ原理图 如图４所示。其中ｃｌｋ为时钟信号，ｃｌｒ为复位信号，ＰＲＮ 为初值，ｏｕｔｐｕｔ为输出信号，ｓｔａｒｔ为开始信号，ｔｌ为ＩＴＩ ２设计思想 ２．１基带信号的产生 伪码最重要的特『生是具有近似于随即信号的性能。因 为噪声具有完全的随即性，也可以说具有近似噪声的特性。 二元１ＴＩ序列是一种伪随机序列。构造一个产生ｍ序列的 序列信号即输入信号。可以看到，每当输入信号发生０、 １变化的时候，输出信号均会发生信号跳变。 图４ ＢＰＳＫ调制仿真图 线形移位寄存器，首先要确定本原多项式，本电路设计中， 构造的Ｍ序列ｎ－－４，周期Ｐ＝１５，ＰＮ码为ｌｌＩＩＯＩＯｌｌＯＯＩＯ（Ｘ）， ２．３ ＢＰＳＫ￣调 ＢＰＳＫ解凋器的结构图如图５所示。图中，计数器 输出与发射端同步的０相数字载波；将计数器输出的０ 本原多项式为ｆ（ｘ）＝ｘ ＋Ｘ ＋１，通过Ｍｔｅｒａ公司的集成 开发环境对软件进行仿真验证，如图２所示。其中ｃｌｋ为 时钟信号，ｃｌｒ为复位信号，ＰＲＮ为初值，ｏｕｔｐｕｔ为输出信号。 相载波与数字ＢＰＳＫ信号中的载波进行与运算，当两比 较信号在判决时刻都为１时，输出为ｌ，否则输出为０， ｋ 而 。。一 …一 赫 一～…。 。…～ ’一…而 一 …～ ～～耳而一 Ｉ】ｒ－———‘————————— 唧肌叽舢肌 伽删 ｆ１＿Ｉ哪删唧㈣ｎ＿【ＩＩ咖帆 咖 帆 眦『ｎ』Ｉ．１咖咖 —————— —— ———‘ ——— —‘———’——’—— ‘—’——— — ‘—一 肌 从而实现解调。 广＿］ｌ ｎ ｎ ｎ ｒ＿１ ｎ ｎ ｎｎ ｎ ｎｎｎ ｎ ｎ ｎ＿＿１ ｎ ｎ ｎ＿＿１ ｎ ｎ ｎ＿＿ 图２伪码仿真图 ２．２ ＢＰＳＫ调制 ＢＰＳＫ调制在扩频载波调制中是一种极重要的调制 方式，它的抗干扰性及通频带的利用率均优先于ＡＳＫ移 幅键控和ＦＳＫ移频键控。因此，ＰＳＫ技术在高速数据传 输中得到了十分广泛的应用，本文中采用ＢＰＳＫ调制技术， 利用ＶＨＤＬ语言编程实现ＢＰＳＫ调制。ＢＰＳＫ调制结构 图如图３所示。计数器对外部时钟信号进行分频与计数， 并输出两路相位不同的数字载波信号；２选ｌ开关在基带 图５ ＢＰＳＫ解调结构图 通过Ａｌｔｅｒａ公司的集成开发环境对软件进行验证， 如图６所示。其中ｃｌｋ为时钟信号，ｃｌｒ为复位信号，ＰＲＮ 为初值，ｏｕｔｐｕｔ为输出信号，ｓｔａｒｔ为开始信号，ｔｌ为ｉｎ 序列信号即输入信号。可以看到，每当输入信号发生０、 信号的控制下，对两路载波信号进行选通，输出的信号 （下转１０５页） ２ｏ＂．６ 所示。 的原理与应用［Ｊ］．电子元器件应用，２００２（Ｚ１）． 徐爱均，彭秀华．单片机高级语言Ｃ５１应用程序设 计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９８． 王树才，邓在京，徐有明．机电一体化家具的探讨［Ｊ】． 木材工业，２００４，ｌ８（１）：３６—３８． 段海燕，吴智慧．智能化家具市场调查分析［Ｊ１．家具， ２００５，１４８（６）：６３—６５． 图６运行一段时间后柜内温度 由此可知，系统的设计达到了预期的效果，能够有 张立志．除湿技术［Ｍ】．北京：化学工业出版社， ２００５：２３５－２５５． 效地控制了衣柜内部温度，起到暖和衣物的作用。 经过多次试验显示，系统运行稳定，控制准确，能 够达到防潮除湿、保暖温控以及消毒杀菌的预期目的。 袁治邝，凌波．实用消毒灭菌技术［Ｍ】．北京：化学 工业出版社，２００２：７４—８０． 参考文献 作者简介： 陆静逸，硕士研究生，研究方向为电力 【１］马云峰，陈子夫，李培全．数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０ 电子与电力传动。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｕｓｏｃｏｏｌ＠１ ２６．ｃｏｍ （上接６７页） ｌ变化的时候，ｔ３信号均会发生信号跳变，表明调 制成功，而ｏｕｔｐｕｔ与ｍ序列输入信号一致，表明解调成功。 ［３］束礼宝，宋克柱，王砚方．伪随机数发生器的ＦＰＧＡ 实现与研究ｆＪ１．电路与系统学报，２００８，８（３）： １２１－１２４． 【４】邬杨波，王曙光，胡建平．有限状态机的ＶＨＤＬ设 计及优化『Ｊ１．信息技术，２００８，２８（１）：７５—７８． ［５］许艳丽．扩展频谱通信系统『Ｊ１＿青岛大学学报，２００９， 图６ ＢＰＳＫ解调仿真图 （１２）：１２－１８． ［６】 童成意．扩频通信技术的应用研究［Ｊ］＿湘潭师范学院 学报：自然科学版，２００８，（８）：２１—２８． ３结束语 本文论述的基于ＦＰＧＡ的ＢＰＳＫ调制与解调系统简 单易行，具有很强的实用性，通过ＶＨＤＬ语言编写程序 完成ＢＰＳＫ信号的调制与解调，为相关领域提供了较好 的模型和方法，具有很强的实际使用价值。但本系统在 ［７］郑晓昆，王兰勋．同步系统在直扩系统中的作用【ＪＪ． 河北大学学报：自然科学版，２００８，２４（４）：４３０— ４３３． 【８］官二玲，王跃科，杨俊．直接序列扩频码元同步的 快速捕获及跟踪【Ｊ１．国防科技大学学报，２００９，（４）： ７７－７８ 提高码速率方面亟待进一步提高。 参考文献 ［１】吴继华，王诚．Ａｌｔｅｒａ ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ设计【Ｍ】．北京： 人民邮电出版社，２００７． ［２】刘裕晓，方强．ＥＤＡ技术与ＶＨＤＬ电路开发应用设 计【Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９． 一 作高信Ｅ—者磊与ｍ简信ａ，ｉｌ介息硕：系２：士 ５统研２８。究９ ６生３９，４＠主ｑ要．研ｃｏ究ｍ 领域为通
