手把手教你玩转AD9361数字调制解调系列（四） ----纯PL逻辑实现QPSK信号的数字调制解调

因最近客户需求，用纯PL实现AD9361的数字信号调制解调，于是就把各种数字调制都在AD9361上都实现了一遍。

优点就是：既可以在zynq系列上配置9361，也可以在纯FPGA系列配置9361。并且理解起来比较简单！！！

制作不易，记得三连哦，给我动力，持续更新中！！！

完整工程文件下载：纯逻辑设计AD9361发射QSPK工程下载 （点击蓝色文字即可下载）

提取码：19w5

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 对于之前学习过我文章的小伙伴来说,大家应该都了解如何利用 AD936x Evaluation Software 生成 AD9361 的配置,并在 Vivado 中调用该配置,最后写入 AD9361 芯片。

        对于新来的小伙伴而言,我建议你可以先回顾一下我之前的文章内容。在那些文章中,我详细介绍了如何通过软件生成 AD9361 的配置,并在 Vivado 开发环境中使用该配置。这些基础知识对于接下来的内容学习很重要。

        在接下来的设计中,我们将在纯逻辑配置 AD9361 的基础上,实现各种数字信号的调制解调功能。这将涉及更多的数字信号处理知识和技术。如果你对这些内容感兴趣,不妨继续关注我的后续文章。我会在这些文章中, 全面地讲解如何基于 AD9361 实现各种数字调制解调功能的具体实现方法。

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本篇文章将介绍如何通过AD9361发射QPSK信号以及纯verilog代码实现和讲解。

一、QPSK调制解调原理

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 是一种广泛使用的数字调制方式，它通过改变载波的相位来传输数据。QPSK 实现 IQ 调制解调的基本原理包括以下几个方面：

1. 基本概念

• I 和 Q 分量：QPSK 使用两个正交的载波，即相差90度的两个信号，称为 I（同相）分量和 Q（正交）分量。
• 相位变化：QPSK 通过改变载波信号的相位来表示数据，每个符号可以表示两个比特（00、01、10、11）。

2. 调制过程

QPSK 调制通过将输入比特流转换为 I 和 Q 信号来实现，具体步骤如下：

1. 比特分组：将输入的比特流分成两位一组。例如，输入比特流为 11001010，则分组为 11、00、10、10。
2. 映射相位：将每组比特映射到一个相位。例如：
   • 00 -> 0度
   • 01 -> 90度
   • 10 -> 180度
   • 11 -> 270度
3. 生成 I 和 Q 信号：通过以下公式生成 I 和 Q 信号：
   • I(t)=Acos⁡(θ)
   • Q(t)=Asin⁡(θ) 其中 AAA 是信号的振幅，θ\thetaθ 是相位角。
4. 合成信号：将 I 和 Q 信号相加，得到调制信号：
   • S(t)=I(t)cos⁡(2πfct)−Q(t)sin⁡(2πfct) 其中 fcf_cfc​ 是载波频率。

3. 解调过程

QPSK 解调的目的是从接收到的调制信号中提取原始的比特流，具体步骤如下：

1. 分离 I 和 Q 信号：将接收到的信号通过两个正交的本地振荡器，得到 I 和 Q 信号：
   • Ir(t)=S(t)cos⁡(2πfct)
   • Qr(t)=−S(t)sin⁡(2πfct)
2. 低通滤波：对 I 和 Q 信号进行低通滤波，去除高频分量，得到基带信号：
   • Ibb(t)=LPF(Ir(t))
   • Qbb(t)=LPF(Qr(t))
3. 恢复相位：计算 I 和 Q 信号的相位：
   • θr=arctan⁡(Qbb(t)/Ibb(t))
4. 相位映射：将相位映射回比特：
   • 0度 -> 00
   • 90度 -> 01
   • 180度 -> 10
   • 270度 -> 11

二、FPGA工程代码

主要代码为：QPSK调制模块、9361数据接收和发射接口、9361配置模块、串口模块，和之前的ASK调制的差异主要是把ASK调制部分替换为了QPSK调制和解调，其他代码不变（一劳永逸）

（1）顶层top

主要连接各个模块，已结对差分信号的差分转换

部分代码：

wire signed [15:0] I, Q;
 
QPSK_Modulator modulator(
    .clk(clk),
    .rst(~RstN),
    .data_in(data_in),
    .I_out(I),
    .Q_out(Q)
);
 
QPSK_Demodulator demodulator(
    .clk(clk),
    .rst(~RstN),
    .I_in(I),
    .Q_in(Q),
    .data_out(data_out)
);

（2）配置9361模块

主要通过读取rom中的配置信息，然后通过SPI去写入9361寄存器，实现对9361的配置 

（3）QPSK调制模块

QPSK_Modulator 模块：主要功能将输入的两位数据（00, 01, 10, 11）转换为 I 和 Q 信号。

部分代码：

module QPSK_Modulator(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [1:0] data_in, // 输入两位数据
    output reg signed [15:0] I_out, // I 分量输出
    output reg signed [15:0] Q_out  // Q 分量输出
);
 
 
 
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        I_out <= 16'sd0;
        Q_out <= 16'sd0;

（4）QPSK解调模块

QPSK_Demodulator 模块：将 接受到的I 和 Q 信号重新转换为两位数据。

部分代码：

module QPSK_Demodulator(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire signed [15:0] I_in, // I 分量输入
    input wire signed [15:0] Q_in, // Q 分量输入
    output reg [1:0] data_out // 解调后的数据输出
);
 
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        data_out <= 2'b00;
    end else begin
        if (I_in > 16'sd0 && Q_in > -16'sd16384 && Q_in < 16'sd16384) begin

三、下板测试

把上述FPGA工程，综合编译，然后生成bit文件

本设计使用的硬件为官方开发板zedboard和ad9361发射，然后通过一个sdr设备进行信号接收，硬件链接如下所示

然后把bit文件下载到zedboard开发板，通过ila查看升余弦函数的输出

然后通过频谱仪和示波器可以看出符合QPSK信号特征，最后利用逻辑信号分析仪对QPSK信号查看星座图。本设计的码元速率设置的为1MHZ

通过上述分析仪可以观察到，星座图符合QPSK信号的特征，且相位稳定，表明信号调制正确。整个工程的9361接口和配置函数运行正常。

至此QPSK调制解调的部分就已经结束了，后期更新QPSK调制解调部分

完整工程文件下载：纯逻辑设计AD9361发射QPSK   提取码：w515

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