【FPGA、maltab】基于FPGA的SOQPSK调制解调技术的设计与实现_soqpsk编码原理

SOQPSK

一、QPSK、OQPSK、SOQPSK之间的关系

SOQPSK（Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying），整形偏移四相相移键控。其中，S（shaped）指的是信号的波形经过特殊设计，以优化传输性能，O（offset）表示信号的相位被偏移以改善调制方案的性能。

SOQPSK是一种基于QPSK调制方式的改进版本，通过特殊的波形设计和相位调整来改善性能。在QPSK中，将基带码元分成I、Q两路，相邻码元的最大相位差为180°，这样的相位突变在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏，为了减小此相位突变，在OQPSK中，将I、Q两路在时间上错开半个码元，使之不可能同时改变，此时相邻码元的相位差的最大值为90°，从而减小了信号振幅的起伏，包络恒定，相对于传统的QPSK，它具有更好的抗多径衰落和功率放大器非线性的性能，其频谱旁瓣要低于QPSK信号的旁瓣，且有较高的功率利用率。


然而，OQPSK依旧具有90°的相位跳变，并且变化并不连续，使得OQPSK的高频滚降变慢，频带变宽。从OQPSK到SOQPSK的实现方式是通过改变附加相位中的频率成形函数，以保证相位的连续变化。在OQPSK中频率成形函数是冲激函数，对应的相位成形函数是矩形函数，因此相位不连续。若要相位成形函数连续，可采用矩形函数或升余弦函数作为频率成形函数，由此得到的相位成形函数是连续的，因而频谱较窄，频谱利用率较高。是连续相位调制(CPM)中的一种特殊调制方式，适用于功率受限且频带受限的通信信道中。


QPSK、OQPSK、SOQPSK的相位曲线

二、SOQPSK调制原理

SOQPSK作为一种特殊的CPM调制方式，区别于传统CPM的一个明显特征是，实际传输的三元符号集｛ ｝为｛-1,0,1｝。
SOQPSK调制的时域表达式为：

代表一个码元的持续时间， 代表 时间内码元的能量， 代表SOQPSK时域信号的载波频率， 为相位函数， 为初始相位 。其中，

频率脉冲函数为
相位函数q(t)为频率脉冲函数的积分，即

因此，可得到相位信息


为原始输入的二进制数据 ，取值为{0，1}，经过预编码

得到，取值为{0，+1，-1}。经过与编码的 ，1和-1不相邻，保证了SOQPSK相邻码元的相位变化最大为 。

matlab 仿真

根据以上SOQPSK的基本原理，对SOQPSK在基带上调制解调过程进行matlab仿真。基本参数设置如下

对随机产生的二进制码元进行turbo编码后，对其进行预编码，转化为三进制码元，并进行四倍采样，得到的采样序列如图所示

I路和Q路以及SOQPSK调制后的的基带调制波形如下

可以看出SOQPSK为恒包络信号
其相位曲线为
星座图

当采样率足够大时，该星座图为一个连续的圆，即SOQPSK相位连续；采样率为1时，SOQPSK星座图与QPSK的星座图相同。
信号频谱如下

可以看出，经过SOQPSK调制后的信号频谱较窄，频谱利用率高。
在信道内加入高斯白噪声，信噪比为20db

加入噪声后的相位曲线：

星座图

频谱

硬判决：
对加噪后的相位曲线每隔一个码元周期对其进行最小二乘拟合，得到的斜率为

以+0.5和-0.5作为判决门限，得到的判决结果为

与原二进制编码后的输入数据几乎相同

matlab 代码如下（仅仅显示核心代码）

clear ;                  % 清除所有变量
close all;                  % 关闭所有窗口
clc;                        % 清屏

%% 基本参数
M=224*8;                       % 产生码元数    
Ns=4;                      % 每码元复制L次,每个码元采样次数4
Tb=1;                   % 每个比特的持续时间1
Rb=1/Tb;                    % 码元速率1
dt=Tb/Ns;                    % 采样间隔0.25
Fs=1/dt;                    % 采样间隔的倒数即采样频率4

%% 产生二进制数据 %%
M_data = 0x1:0xE0;
binStr = dec2bin(M_data);
binData = binStr - '0';
data = reshape(binData',M,1)';

%% turbo编码
encoded_data=TurboEncode(data); 

%% SOQPSK 调制
s = soqpsk_mod(encoded_data);

%% 信道
s_n=awgn(s,-20,'measured');%加入高斯白噪声20db


% 度量
L=length(DI);

%分支度量
gammaI_0 = zeros(1,length(DI));
gammaI_1 = zeros(1,length(DI));
gammaI_2 = zeros(1,length(DI));
gammaI_3 = zeros(1,length(DI));
gammaQ_0 = zeros(1,length(DI));
gammaQ_1 = zeros(1,length(DI));
gammaQ_2 = zeros(1,length(DI));
gammaQ_3 = zeros(1,length(DI));

%前向度量
%初始化前向度量
alphaI_0 = zeros(1, L+1);
alphaI_1 = zeros(1, L+1);
alphaQ_0 = zeros(1, L+1);
alphaQ_1 = zeros(1, L+1);

%前向度量的递推

%后向度量
%初始化后向度量
betaI_0 = zeros(1, L+1);
betaI_1 = zeros(1, L+1);
betaQ_0 = zeros(1, L+1);
betaQ_1 = zeros(1, L+1);

%后向度量的递推

% 计算软信息
decoded_data = [llrQ,llrI];

%Turbo译码
turbodecoded_data=lteTurboDecode(decoded_data');

% 计算误码比特数
num_errors = sum(turbodecoded_data' ~= data);

% 计算总比特数
total_bits = length(data);

% 计算误码率
BER = num_errors / total_bits

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
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39
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得出的误码率为零。代码是示意代码。

FPGA 实现

上文已经描述了详细的原理和matlab仿真，下一步就是用FPGA进行实现；

顶层设计

包含了完整的信源和信宿、误码率比较；

包含有加扰和解扰；

包含有soqpsk调制和解调；

包含有turbo编译码；

发射模块

接收模块

最终输出的数据和发射的数据保持一致；

顶层调制解调FPGA代码

// 生成224 8Bit数据；
gen_Incremental_223 gen_Incremental_224(
    .clk        (clk        ),
    .rst        (rst        ),
    .start      (start_data ),
    .dout       (din        ),
    .dout_clk_p (           ),
    .dout_en    (din_clk_p  )
);

// turbo  编码
//  1/3Turbo Encode
Turbo_Encode_1_3(
    .clk                (clk            ),
    .rst                (rst            ),
    
    .din_dout           (din_dout       ),
    .before_sc_dat_en   (before_sc_dat_en),
    .before_sc_dat_p    (before_sc_dat_p),
    
    .dat_choose         (dat_choose     ),
    .src_din_p          (src_din_p      ),
    .all_dat_clk_p      (all_dat_clk_p  )
);

Scrambler
#( .FRAME_LENGTH(ALL_DAT-1) )     // 1792*3+12-1 = 5387
Scrambler (
    .clk(clk					),//系统时钟
    .rst(rst				    ),//系统复位，高有效
    .din(dat_choose				),//待加扰数据
    .din_p(src_din_p		    ),//待加扰数据帧头，脉冲型
    .din_en(all_dat_clk_p		),//帧同步后的使能信号，便于写入FIFO

    .dout(scr_dat				),//加扰后数据
    .dout_en(scr_en			    ),//加扰后数据使能信号
    .dout_p( 				    ) //加扰后数据帧头指示信号，脉冲型
);

// tb：判断是否完成调制
soqpsk_mod(
    .clk            (clk            ),
    .rst            (rst            ),
    .scr_dat        (scr_dat        ),
    .scr_en         (scr_en         ),
    
    .is_End_SOQPSK_Mod(is_End_SOQPSK_Mod),
    .pulses_dout_i  (pulses_dout_i),
    .pulses_dout_q  (pulses_dout_q),
    .pulses_dout_clk_p(),
    .ram_cnts_write (ram_cnts_write)
);

// 组帧
blk_mem_24_32768 blk_mem_24_32768 (
  .clka(clk),    // input wire clka
  .ena(1'b1),      // input wire ena
  .wea(1'b1),      // input wire [0 : 0] wea
  .addra(ram_cnts_write ),  // input wire [14 : 0] addra_write
  .dina({pulses_dout_i,pulses_dout_q}),    // input wire [23 : 0] dina
  
  .clkb(clk),    // input wire clkb
  .enb(1'b1),      // input wire enb
  .addrb(addrb_read),  // input wire [14 : 0] addrb_read
  .doutb({lut_dout_i,lut_dout_q})  // output wire [23 : 0] doutb
);

soqpsk_demod_gamma(
    .clk                 (clk               ),
    .rst                 (rst               ),
    .start               (is_End_SOQPSK_Mod ),
    
    .addrb_read          (addrb_read        ),
    .lut_dout_i          (lut_dout_i        ),
    .lut_dout_q          (lut_dout_q        ),
    
    .is_End_SOQPSK_gamma (is_End_SOQPSK_gamma),
    
    .gammaI_0_ram        (gammaI_0_ram      ),
    .gammaI_1_ram        (gammaI_1_ram      ),
    .gammaI_2_ram        (gammaI_2_ram      ),
    .gammaI_3_ram        (gammaI_3_ram      ),
    .gammaQ_0_ram        (gammaQ_0_ram      ),
    .gammaQ_1_ram        (gammaQ_1_ram      ),
    .gammaQ_2_ram        (gammaQ_2_ram      ),
    .gammaQ_3_ram        (gammaQ_3_ram      ), // Q28.22
    .read_gamma_addrb    (read_gamma_addrb  )

);

// 解调第四步： 前向度量
soqpsk_demod_alpha (
    .clk                 (clk                   ),
    .rst                 (rst                   ),
    .start               (is_End_SOQPSK_gamma   ),
    
    .gammaI_0_ram        (gammaI_0_ram          ),
    .gammaI_1_ram        (gammaI_1_ram          ),
    .gammaI_2_ram        (gammaI_2_ram          ),
    .gammaI_3_ram        (gammaI_3_ram          ),
    .gammaQ_0_ram        (gammaQ_0_ram          ),
    .gammaQ_1_ram        (gammaQ_1_ram          ),
    .gammaQ_2_ram        (gammaQ_2_ram          ),
    .gammaQ_3_ram        (gammaQ_3_ram          ), 
    .read_gamma_addrb    (read_gamma_addrb_forward),
    
    .is_End_SOQPSK_alpha (is_End_SOQPSK_alpha   ),
    
    .alphaI_0_ram        (alphaI_0_ram          ), 
    .alphaI_1_ram        (alphaI_1_ram          ), 
    .alphaQ_0_ram        (alphaQ_0_ram          ), 
    .alphaQ_1_ram        (alphaQ_1_ram          ),
    .read_alpha_addrb    (read_gamma_addrb_IIr  )
);

// 解调第五步： 后向度量
soqpsk_demod_beta(
    .clk                 (clk                   ),
    .rst                 (rst                   ),
    .start               (is_End_SOQPSK_alpha   ),
    
    .gammaI_0_ram        (gammaI_0_ram          ),
    .gammaI_1_ram        (gammaI_1_ram          ),
    .gammaI_2_ram        (gammaI_2_ram          ),
    .gammaI_3_ram        (gammaI_3_ram          ),
    .gammaQ_0_ram        (gammaQ_0_ram          ),
    .gammaQ_1_ram        (gammaQ_1_ram          ),
    .gammaQ_2_ram        (gammaQ_2_ram          ),
    .gammaQ_3_ram        (gammaQ_3_ram          ), 
    .read_gamma_addrb    (read_gamma_addrb_backward),
    
    .is_End_SOQPSK_beta  (is_End_SOQPSK_beta    ),
    
    .betaI_0_ram         (betaI_0_ram), 
    .betaI_1_ram         (betaI_1_ram), 
    .betaQ_0_ram         (betaQ_0_ram), 
    .betaQ_1_ram         (betaQ_1_ram),
    .read_beta_addrb     (read_gamma_addrb_IIr + 1)
);

// 解调第六步： 计算软信息
soqpsk_demod_llr(
    .clk                 (clk                   ),
    .rst                 (rst                   ),
    .start               (is_End_SOQPSK_beta    ),
    
    .gammaI_0_ram        (gammaI_0_ram),
    .gammaI_1_ram        (gammaI_1_ram),
    .gammaI_2_ram        (gammaI_2_ram),
    .gammaI_3_ram        (gammaI_3_ram),
    .gammaQ_0_ram        (gammaQ_0_ram),
    .gammaQ_1_ram        (gammaQ_1_ram),
    .gammaQ_2_ram        (gammaQ_2_ram),
    .gammaQ_3_ram        (gammaQ_3_ram), 
    .read_gamma_addrb    (read_gamma_addrb_IIr),
    
    .betaI_0_ram         (betaI_0_ram), 
    .betaI_1_ram         (betaI_1_ram), 
    .betaQ_0_ram         (betaQ_0_ram), 
    .betaQ_1_ram         (betaQ_1_ram),
    .read_beta_addrb     (),
    
    .alphaI_0_ram        (alphaI_0_ram), 
    .alphaI_1_ram        (alphaI_1_ram), 
    .alphaQ_0_ram        (alphaQ_0_ram), 
    .alphaQ_1_ram        (alphaQ_1_ram),
    .read_alpha_addrb    (),
    
    .is_End_SOQPSK_llr   (is_End_SOQPSK_llr),
    
    .llrI                (llrI          ),
    .llrQ                (llrQ          ),
    .llr_clk_p           (llr_clk_p     )
);

// 转化为串行的数据流
soqpsk_demod_2p1s 
# ( .ALL_DAT        (ALL_DAT        ),
    .ALL_DAT_PADDING(ALL_DAT_PADDING) )
soqpsk_demod_2p1s(
    .clk                 (clk),
    .rst                 (rst),
    
    .bs_cut_i            (llrI[26:19]),
    .bs_cut_q            (llrQ[26:19]),
    .dout_cut_en         (llr_clk_p),
    
    .bs_din              (bs_din),
    .bs_din_p            (bs_din_p),
    .bs_din_en           (bs_din_en)
);

/*-----------------------------------------------------------------------
    下面是进入解扰的模块
-----------------------------------------------------------------------*/    
    
Descrambler
# ( .ALL_DAT(ALL_DAT) )
Descrambler(
    .clk                 (clk       ),
    .rst                 (rst       ),
    .bs_din              (bs_din    ),
    .bs_din_p            (bs_din_p  ),
    .bs_din_en           (bs_din_en ),
    
    .soft_din            (soft_din),
    .soft_din_clk_p      (soft_din_clk_p)
);   

//准备送入Turbo 译码器
Turbo_Decode_1_3 Turbo_Decode_1_3(
    .clk(clk),
    .rst(rst),
    
    .soft_din(soft_din),
    .soft_din_clk_p(soft_din_clk_p),
    
    .dout(turbo_dout),
    .dout_clk_p(turbo_dout_clk_p)
);

// 解调第八步： turbo译码

// tb： 误码率统计
 fifo_1_8 FIFOS (
  .clk(clk            ),                      // input wire clk
  .srst(rst           ),                    // input wire srst
  .din(turbo_dout        ),                      // input wire [0 : 0] din
  .wr_en(turbo_dout_clk_p),                  // input wire wr_en
  .rd_en(  rd_en11       ),                  // input wire rd_en
  .dout( fifo_dout11     ),                    // output wire [7 : 0] dout
  .full(           ),                    // output wire full
  .empty(         ),                  // output wire empty
  .rd_data_count(rd_data_count )  // output wire [9 : 0] rd_data_count
);
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
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16
17
18
19
20
21
22
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27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
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46
47
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52
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54
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56
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58
59
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62
63
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66
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70
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79
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81
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86
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88
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90
91
92
93
94
95
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102
103
104
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106
107
108
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110
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