CN103179065A

CN103179065A - 偏移正交相移键控调制方法、装置和数字信号发生器

Info

Publication number: CN103179065A
Application number: CN2011104316870A
Authority: CN
Inventors: 丁新宇; 王悦; 王铁军; 李维森
Original assignee: Rigol Technologies Inc
Current assignee: Rigol Technologies Inc
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN103179065B

Abstract

本发明实施例提供一种偏移正交相移键控调制方法、装置和数字信号发生器，该方法包括：将待调制的串行码流转换为两路串行码流，两路串行码流包括第一路串行码流和第二路串行码流；将第一路串行码流延迟半个码元周期以产生第三路串行码流；将第二路串行码流和第三路串行码流合并构成并行数据流，并将并行数据流转换成调制相位；在时钟脉冲的控制下，累加N位的频率控制字得到N位相码；将N位地址累加器发送的N位相码与调制相位转换器发送的调制相位相加，以生成载波波表存储器的读地址；根据相位加法器发送的读地址读出波形，并输出数字式的OQPSK调制信号。该方法可省去大量硬件电路，具有体积小、功耗低、稳定可靠、参数可设等优点。

Description

偏移正交相移键控调制方法、装置和数字信号发生器

技术领域

本发明涉及电子测量测试领域，具体涉及一种偏移正交相移键控(OQPSK，offset Quadrature Phase Shift Keying)调制方法，特别是涉及偏移正交相移键控调制方法、装置和和一种产生OQPSK调制信号的数字信号发生器。

背景技术

在电子系统的测量、校验及维护中，数字和矢量信号发生器被广泛采用，随着电子技术的发展，要求信号发生器能够产生丰富的调制信号。

偏移正交相移键控(Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK)，是一种在正交相移键控(QPSK)基础上发展起来的恒包络数字调制技术。在普通的QPSK调制中，两个正交支路的数据在时间上是完全对准的，当两路数据相位同时改变时，会发生180°的载波相位跳变。这种相位的跳变会使信号在通过带宽受限信道时发生明显的包络变化。这种包络有明显变化的信号在经过非线性放大器后，会使已经滤除的带外分量又被恢复出来，导致频谱扩散和信号失真。在OQPSK调制中，两路数据流在时间上错开了半个码元周期(一个比特)。由于时间上的错开，在任何传输点上只可能有一个二进制分量可改变状态，合成的相移信号只可能出现0°、±90°三种相位跳变，不会出现180°的相位跳变。滤波后的OQPSK信号包络不会过零点(深调幅)。所以频带受限OQPSK的信号包络起伏比频带受限QPSK的信号小，经限幅放大后频带展宽得少，故OQPSK性能优于QPSK。

传统的OQPSK调制器都是由硬件电路来完成，存在电路复杂、体积大和功耗高等缺点。随着数字技术的发展，高性能的可编程逻辑阵列(FPGA)常作为核心元件实现OQPSK调制，OQPSK调制的主要算法都由FPGA实现。文献《OQPSK调制信号的FPGA实现》(中国新通信，2010年01期)说明了在FPGA上实现OQPSK调制信号的产生过程。FPGA内部的主要功能模块如图1所示，与QPSK信号的产生大体上相似，不同之处在于输入的信息序列A(t)经过串/并转换模块101执行串/并变换后分为两路数据流a、b，其中一路数据流a相对于另一路数据流b延迟了半个码元周期，变成了数据流a^*。载波产生电路103用于产生两路正交载波cos(ω_ct)和sin(ω_ct)，分别与数据流a^*和数据流b相乘。由于加到乘法器104、105上的两路数据流不会同时改变，这样调制器输出信号只可能发生90°的相位跳变，而QPSK信号则可能发生180°的相位跳变。图1中的延迟T_s/2电路102就是为了使上下两路数据流偏移半个码元周期，T_s是一个码元周期；相加电路106的作用是将2路波形数据相加。

发明人在实现本发明的过程中发现，上述技术方案采用FPGA技术，省去了大量的硬件电路，但由于采用了基于笛卡儿架构的正交幅度调制方案，所以至少存在以下不足之处：

1、电路中需要2个乘法器，会占用FPGA内部宝贵的乘法器资源；

2、乘法器、加法器会影响FPGA的时序性能，进而限制了载波频率；

3、目前FPGA主要采用直接数字信号合成技术(DDS，Direct DigitalSynthesizer)或者CORIDC(Coordinate Rotation Digital Compute)算法产生正弦波，该方案要求FPGA内部产生2个正交的载波，因此耗用的FPGA资源，无论是可编程逻辑块，还是内部存储器，都会比较多；

4、为了提高载波频率，通常采用并行DDS的解决方案，这时图1的乘法器、加法器也会成倍增加。换言之，上述方案的扩展性不好。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种OQPSK调制信号的产生方法、装置和数字信号发生器，以达下述目的：(1)全数字实现方式，(2)无需乘法器，(3)无需正交载波，(4)良好的扩展性，(5)实现简单，(6)特别适用于数字信号发生器。

为达上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种偏移正交相移键控OQPSK调制装置，所述装置包括：

串/并转换模块，用于将待调制的串行码流转换为两路串行码流，所述两路串行码流包括第一路串行码流和第二路串行码流；

延迟电路，用于将第一路串行码流延迟半个码元周期以产生第三路串行码流；

调制相位转换器，用于将所述第二路串行码流和所述第三路串行码流合并构成并行数据流，并将所述并行数据流转换成调制相位；

N位地址累加器，用于在时钟脉冲的控制下，累加N位的频率控制字得到N位相码；

相位加法器，用于将所述N位地址累加器发送的N位相码与所述调制相位转换器发送的调制相位相加，以生成载波波表存储器的读地址；

载波波表存储器，用于根据所述相位加法器发送的读地址读出波形，并输出数字形式的OQPSK调制信号。

为达上述目的，另一方面，本发明实施例提供了一种数字信号发生器，所述数字信号发生器包括：人机界面/用户接口、中央处理单元、非易失存储器、控制单元、OQPSK调制单元、时钟模块、数模转换模块和模拟电路；所述中央处理单元与所述人机界面/用户接口、所述非易失存储器和所述控制单元相连，所述控制单元与所述OQPSK调制单元相连，所述数模转换模块与所述OQPSK调制单元和所述模拟电路相连；

所述OQPSK调制单元包括：

为达上述目的，又一方面，本发明实施例提供了一种偏移正交相移键控OQPSK调制方法，所述方法包括：

将待调制的串行码流转换为两路串行码流，所述两路串行码流包括第一路串行码流和第二路串行码流；

将第一路串行码流延迟半个码元周期以产生第三路串行码流；

将所述第二路串行码流和所述第三路串行码流合并构成并行数据流，并将所述并行数据流转换成调制相位；

在时钟脉冲的控制下，累加N位的频率控制字得到N位相码；

将所述N位地址累加器发送的N位相码与所述调制相位转换器发送的调制相位相加，以生成载波波表存储器的读地址；

根据所述相位加法器发送的读地址读出波形，并输出数字形式的OQPSK调制信号。

为达上述目的，又一方面，本发明实施例提供了一种偏移正交相移键控OQPSK调制方法，所述方法包括：接收用户设置的调制参数；

中央处理单元将初始载波波表通过控制单元写入到载波波表存储器；

中央处理单元将用户自定义的数据文件写入到非易失存储器，并将所述用户设置的调制参数发送给控制单元；

中央处理单元根据用户要求，将内置的待调制文件或者用户自定义的数据文件从非易失存储器中读出，并通过控制单元写入到调制文件存储器；

控制单元读取调制文件存储器，并将待调制文件或者用户自定义的数据文件转换为串行码流；

OQPSK调制单元根据所述串行码流、所述初始载波波表和所述用户设置的调制参数，产生数字形式的OQPSK调制信号；

数模转换电路将所述数字形式的OQPSK调制信号转换为模拟形式的OQPSK调制信号。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益技术效果在于：本发明具有良好的灵活性，很多参数都是软件可设置的，包括OQPSK的载波频率、基带频率；可以调制内置的文件、也可以是用户自定义的数据文件；甚至载波的形状都是可设置的；本发明没有使用乘法器，FPGA的时序性能较好，可以支持更快的工作时钟，因此可以支持更高频率的载波。采用本发明实现OQPSK调制方案可省去大量的硬件电路，具有体积小、功耗低、稳定可靠等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的OQPSK调制原理框图；

图2为本发明实施例的一种基于DDS的OQPSK调制装置的原理框图；

图3为本发明实施例的一种产生OQPSK调制信号的数字信号发生器的原理框图；

图4为本发明实施例依据图3所示数字信号发生器实施OQPSK调制的处理流程图；

图5为本发明实施例依据图2所示装置产生OQPSK调制信号的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

大多数现代任意函数发生器都是采用DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)技术来产生波形。本发明实施例也是基于DDS技术的，以下对本发明实施例的OQPSK方案进行说明。

图2为本发明实施例的一种基于DDS的OQPSK调制装置的原理框图。如图2所示，该OQPSK调制装置包括：

串/并转换模块201：将待调制的串行码流按照1∶2转换为2路串行码流a和b；具体地，该串/并转换模块201可以将1路串行数据转换为2路串行数据，例如串行数据比特流为b0-b1-b2-b3-b4-b5-b6……，经过转换后变为两路，分别是b0-b2-b4……，和b1-b3-b5……。

延迟Ts/2模块202：对其中1路码流a延迟半个码元周期以产生a^*。

调制相位转换器203：将串行的码流a^*、b合并在一起，构成2位并行数据流；由于延迟了半个码元周期，所以这2位在某一时刻只可能有1比特变化，不可能2比特同时变化。按照表1所示的数据码流与对应的相位之间的关系，很明显不会出现180度的相位变化；本模块将并行数据流转换成调制相位送给相位加法器。

表1并行数据流与调制相位之间的对应关系

并行数据流(a^*，b)	对应的相位	转换成调制相位
			00	0°	00
01	90°	01
			11	180°	10
10	270°	11

其中，表1所示出的这种对应关系不是唯一的，数据流00也可以对应相位90°，四种并行数据流可以对应四种不同的相位。

N位地址累加器204：在时钟脉冲的控制下，N位地址累加器204累加N位的频率控制字得到N位相码。N位地址累加器204的位宽是N位，累加的结果是N位，称为N位相码，其范围是0～2^N-1。频率控制字表示N位地址累加器累加的幅度，频率控制字越大，则累加器累加的幅度越大，N位相码从0累加到2^N-1所需的时间越少。N位相码与频率控制字有如下关系：A_m＝A_m-1+K。其中K表示频率控制字，A_m表示累加器累加m次后的N位相码，A_m-1是累加器累加m-1次后的结果。

相位加法器205：将N位地址累加器204送来的N位相码与调制相位转换器203送来的调制相位相加，二者之和作为载波波表存储器206的读地址。在本实施例中，为了获得较好的频率分辨率，N位地址累加器的位宽N通常是很大的；此处是让N位相码的最高2比特与2比特的调制相位相加，N位相码的其余比特不变。

载波波表存储器206：它里面初始化了载波波表、或者在OQPSK调制之前由上层接口写入某种波形(通常是正弦波)作为载波；在调制开始后，根据相位加法器205送来的地址读出其中的波形，从而输出数字形式的OQPSK调制信号。由于调制相位转换器203送来的调制相位受到串行码流(待调制的基带信号)的控制，当串行码流改变，则根据表1的对应关系，调制相位也会跳变；接下来，相位加法器205输出的二者之和随之跳变。载波波表存储器206是根据这二者之和读出内部存储的载波样点的，因此，串行码流的改变会造成读地址的跳变，读地址的跳变又会造成载波波形的相位发生跳变。用载波的相位跳变表示待调制信号，这就是相位调制的定义。在本发明实施例中，有表1所列出的4种调制相位，且延迟Ts/2模块202对其中一路码流a延迟了半个码元周期，因此实现的是OQPSK调制。虽然，载波波表存储器206内部存储的只是一个周期的载波波表，如果没有相位加法器205的作用，仅根据N位地址累加器204送来的N位相码读出，则载波波表存储器206输出的只是载波信号；但由于调制相位的跳变，通过相位加法器205的相加，载波波表存储器206的读地址就会跳变，因此载波波表存储器206输出的就是OQPSK调制信号了，当然，此时OQPSK调制信号还是数字量，不是模拟量。

N位地址累加器204、载波波表存储器206，实际上是DDS的基本组成部分，本发明实施例的创新之处就在于增加了调制相位转换器203、相位加法器205，由调制相位转换器203将串行码流转换为调制相位，并由相位加法器205直接控制载波的相位，从而完成OQPSK调制。

图3为本发明实施例的一种产生OQPSK调制信号的数字信号发生器的原理框图。如图3所示，该数字信号发生器包括：

OQPSK调制单元301：其包含了图2中的所有内容，即为图2示出的OQPSK调制装置，由频率控制字决定载波频率，初始载波波表被写入到载波波表存储器中，由串行码流决定输出载波的相位。

人机界面和用户接口302：接受用户本地或者远程控制，包括GPIB、LAN、USB等。

非易失存储器304：存储内置的待调制文件、或者是用户自定义的待调制数据文件、以及初始的载波波表。

中央处理单元303：实现系统控制以及信号处理，具体地，中央处理单元 303可实现下列功能：通过人机界面/用户接口302接受用户控制；访问非易失存储器304；与控制单元305通信。中央处理单元303与控制单元305之间的通信接口可以非常灵活，通信协议可以是自定义的。中央处理单元303可以将下述数据发送给控制单元305：非易失存储器304里的初始载波波表；非易失存储器里的待调制文件；用户设置的OQPSK调制的有关参数，例如载波频率控制字、基带频率控制字等。

控制单元305：用于接收中央处理单元303发来的信息，并完成如下工作：

将初始载波波表、载波频率控制字送给OQPSK调制单元301；将待调制文件先写入调制文件存储器306；等调制开始后，按照基带频率控制字从调制文件存储器306中读出待调制文件，并转换为串行数据码流发送给OQPSK调制单元301。

调制文件存储器306：用于缓存待调制文件；使用调制文件存储器306的好处是调制开始后，无需中央处理单元305的干预，以此节省软件资源。调制文件存储器306是作为本发明的一个较佳实施例。在另一实施例中，也可以不使用调制文件存储器306，调制开始后，中央处理单元303将待调制文件不断地发送给控制单元305，控制单元305将其转换为串行数据码流并发送给OQPSK调制单元301。

时钟模块307：用于给其它模块提供高精度的稳定时钟源。

DAC模块308：作为数模转换器，用于将OQPSK调制单元301输出的数字形式的OQPSK已调信号转换成模拟信号。

模拟电路309：用于处理DAC模块308输出的模拟信号，包括滤波、衰减、放大等。

图4为本发明实施例依据图3所示数字信号发生器实施OQPSK调制的处理流程图。如图4所示，该流程包括如下步骤：

401、上电开始，时钟模块307开始产生时钟。

402、用户通过人机界面302设置调制参数。

403、中央处理单元303将初始载波波表通过控制单元305写入到载波波表存储器206。

404、判断写入是否完毕，如是，执行步骤404，如否，返回步骤402。

405、中央处理单元303根据用户要求决定是否将用户自定义的数据文件写入到非易失存储器304，将调制参数发送给控制单元305；

406、中央处理单元303根据用户要求，将内置调制文件或者用户自定义数据文件从非易失存储器304中读出，并通过控制单元305写入到调制文件存储器306。

407、判断写入是否完毕，如是，进入步骤408，如否，返回步骤406。

408、开始调制。

409、控制单元305读取调制文件存储器306，并将待调制文件转换为串行数据码流输出。

410、OQPSK调制模块301产生OQPSK调制信号(数字量)。

411、DAC电路308将上述数字量的OQPSK调制信号转换为模拟量(模拟形式的OQPSK调制信号)。

412、模拟电路309处理后输出OQPSK调制信号。

图5为本发明实施例依据图2所示装置产生偏移正交相移键控OQPSK调制信号的方法流程图。如图3所示，该方法包括如下步骤：

501、利用串/并转换模块201将待调制的串行码流转换为两路串行码流，所述两路串行码流包括第一路串行码流和第二路串行码流；

502、利用延迟T_S/2电路202将第一路串行码流延迟半个码元周期以产生第三路串行码流；

503、利用调制相位转换器203将所述第二路串行码流和所述第三路串行码流合并构成并行数据流，并将所述并行数据流转换成调制相位；

504、利用N位地址累加器204在时钟脉冲的控制下，累加N位的频率控制字得到N位相码；

505、利用相位加法器205将所述N位地址累加器发送的N位相码与所述调制相位转换器发送的调制相位相加，以生成载波波表存储器的读地址；

506、利用载波波表存储器206根据所述相位加法器发送的读地址读出波形，并输出数字形式的OQPSK调制信号。

可选地，步骤503中的将所述并行数据流转换成调制相位可以包括：根据预设的并行数据流与调制相位之间的对应关系，将所述并行数据流转换成调制相位。

可选地，步骤505中的利用相位加法器将所述N位地址累加器发送的N位相码与所述调制相位转换器发送的调制相位相加可以包括：将所述N位相码的最高2比特与2比特的调制相位相加，所述N位相码的其余比特不变。

本发明实施例提供的上述基于DDS的OQPSK调制装置、数字信号发生器和OQPSK调制方法的技术效果在于：

本发明实施例摒弃了传统的笛卡儿架构，采用相位直接控制方法实现OQPSK调制，无需复杂的乘法器，也不用产生正交的2个载波，因此实现起来较为简单。本发明实施例只需产生1路载波信号，相对应的只需要一个地址累加器204、一个载波波表存储器206，因此节约了FPGA资源，包括可编程逻辑块和内嵌的存储器。

除了必须的DAC模块和用于信号处理的模拟电路，本发明实施例可采用全数字实现方式，甚至很容易集成到一块FPGA(现场可编程逻辑阵列)芯片里。因此，本发明具有集成度高、容易升级、实现时间短、维护简单、成本低的优点；本发明不使用乘法器，即使采用并行DDS的扩展方案，也不会发生类似现有技术中乘法器的成倍增加的情况。当然，采用并行DDS的扩展方案，本发明也需要成倍增加加法器，但现在主流的FPGA内部都拥有大量的可编程逻辑块，可用于实现加法器。因此，与现有技术相比，本发明具有良好的扩展性。

本发明具有良好的灵活性，很多参数都是软件可设置的，包括OQPSK的载波频率、基带频率；可以调制内置的文件、也可以是用户自定义的数据文件；甚至载波的形状都是可设置的；本发明没有使用乘法器，FPGA的时序性能较好，可以支持更快的工作时钟，因此可以支持更高频率的载波。

由于采用了DDS技术产生载波，因此具备了DDS的优点，诸如载波频率精度高、范围宽等。

调制文件存储器可以用FPGA内嵌的存储器实现，FPGA内嵌的存储器的缺点是容量较小。但如果用户自定义数据文件不大，就可使用FPGA内嵌存储器代替外部存储器，以节省成本、减少PCB面积。另一方面，FPGA内嵌存储器的工作时钟通常要快于外部存储器，且存储器的数据位宽可灵活配置。因此使用FPGA内嵌存储器，可以支持更高的载波频率。如果用户自定义数据文件较大时，也可以单独使用外部存储器，例如目前主流的DRAM、SRAM、Flash存储器等；使用外部存储器，可以容许很大的用户自定义数据文件；

本发明不仅可以用于测试测量领域的数字信号发生器，也可以用于通信系统，包括移动通信系统和卫星通信系统。OQPSK调制技术具有较高的频带利用率和在频带受限的系统中抗干扰性能强，被广泛地应用于移动通信和卫星通信领域。传统的OQPSK调制器都是由硬件电路来完成，存在电路复杂、体积大和功耗高等缺点。采用本发明实现OQPSK调制方案可省去大量的硬件电路，具有体积小、功耗低、稳定可靠等优点。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种偏移正交相移键控OQPSK调制装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制相位转换器，具体用于根据预设的并行数据流与调制相位之间的对应关系，将所述并行数据流转换成调制相位。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相位加法器，具体用于将所述N位相码的最高2比特与2比特的调制相位相加，所述N位相码的其余比特不变。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载波波表存储器内初始化了载波波表，或者在OQPSK调制之前由上层接口写入了载波。

5.一种数字信号发生器，其特征在于，所述数字信号发生器包括：人机界面/用户接口、中央处理单元、非易失存储器、控制单元、OQPSK调制单元、时钟模块、数模转换模块和模拟电路；所述中央处理单元与所述人机界面/用户接口、所述非易失存储器和所述控制单元相连，所述控制单元与所述OQPSK调制单元相连，所述数模转换模块与所述OQPSK调制单元和所述模拟电路相连；

所述OQPSK调制单元包括：

6.根据权利要求5所述的数字信号发生器，其特征在于，所述数字信号发生器还包括：调制文件存储器，与所述控制单元相连，用于缓存待调制文件。

7.根据权利要求5所述的数字信号发生器，其特征在于，所述调制相位转换器，具体用于根据预设的并行数据流与调制相位之间的对应关系，将所述并行数据流转换成调制相位。

8.根据权利要求5所述的数字信号发生器，其特征在于，所述相位加法器，具体用于将所述N位相码的最高2比特与2比特的调制相位相加，所述N位相码的其余比特不变。

9.根据权利要求6所述的数字信号发生器，其特征在于，所述调制文件存储器采用FPGA内嵌的存储器或者外部存储器。

10.一种偏移正交相移键控OQPSK调制方法，其特征在于，所述方法包括：

在时钟脉冲的控制下，累加N位的频率控制字得到N位相码；

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述将所述并行数据流转换成调制相位包括：根据预设的并行数据流与调制相位之间的对应关系，将所述并行数据流转换成调制相位。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述利用相位加法器将所述N位地址累加器发送的N位相码与所述调制相位转换器发送的调制相位相加包括：将所述N位相码的最高2比特与2比特的调制相位相加，所述N位相码的其余比特不变。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法应用于数字信号发生器、移动通信系统和卫星通信系统。

14.一种偏移正交相移键控OQPSK调制方法，其特征在于，所述方法包括：

接收用户设置的调制参数；