基于FPGA的QPSK+帧同步系统verilog开发,包含testbench,高斯信道,误码统计,可设置SNR

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1.算法仿真效果

vivado2019.2仿真结果如下(完整代码运行后无水印):

 

系统包括QPSK调制模块,QPSK解调模块,AWGN信道模块,误码统计模块,帧同步模块,数据源模块等。

 

设置SNR=20db

 

3bdf84767d80595d6a308987abc2aa6b_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

 

缩小波形,看完整一帧数据波形:

 

322889dd7f7c9433089701f727a53978_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

 

设置SNR=7db

 

e98ef97b8943468125f4ba156f7fcc23_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

 

仿真操作步骤可参考程序配套的操作视频。

 

2.算法涉及理论知识概要

2.1QPSK

       QPSK是一种数字调制方式,它将两个二进制比特映射到一个符号上,使得每个符号代表四种可能的相位状态。因此,QPSK调制解调系统可以实现更高的传输速率和更高的频谱效率。基于FPGA的QPSK调制解调系统通常由以下几个模块组成:

 

数据生成模块:生成要传输的二进制数据流。

 

QPSK调制模块:将二进制数据流转换为符号序列,并将每个符号映射到特定的相位状态。

 

QPSK解调模块:将接收到的符号序列解调为二进制数据流。

 

QPSK调制模块

 

      QPSK调制模块将二进制数据流转换为符号序列,并将每个符号映射到特定的相位状态。QPSK调制使用四个相位状态,分别为0度、90度、180度和270度。在QPSK调制中,每个符号代表两个比特,因此,输入二进制数据流的速率必须是符号速率的两倍。

 

       QPSK调制模块通常使用带有正弦和余弦输出的正交调制器(I/Q调制器)来实现。在I/Q调制器中,输入信号被分成两路,一路被称为“正交(I)路”,另一路被称为“正交(Q)路”。每个输入符号被映射到一个特定的正交信号,然后通过合成器将两个信号相加,形成QPSK调制信号。

 

d2de184f56bb6e24ada8f52b89cab922_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

 

QPSK解调模块

       QPSK解调模块将接收到的符号序列解调为二进制数据流。解调模块使用相干解调器来实现,相干解调器可以将接收到的信号分解成两个正交分量,然后将它们与本地正交信号相乘,得到原始的QPSK符号。解调器的输出是一个复数,需要进行幅值解调和相位解调才能得到原始的二进制数据流。

 

a5a651f72bcc8e059efd938a5f4ec3ca_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

 

2.2 帧同步

       在数字通信中,信息通常是以帧为单位进行组织和传输的。帧同步的目的是确定每一帧的起始位置,以便接收端能够正确地解调出每帧中的数据。

 

       设发送的帧结构为:帧同步码 + 信息码元序列 。帧同步码是具有特定规律的码序列,用于接收端识别帧的起始。

 

       帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置,一旦找到匹配位置,就确定了帧的起始位置,后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。

 

61ac2dd4e65293e08471796976f714a2_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.jpg

 

3.Verilog核心程序 `//QPSK调制

TQPSK TQPSKU(

.i_clk  (i_clk),

.i_rst  (i_rst),

.i_Ibits(i_Ibits),

.i_Qbits(i_Qbits),

 

.o_Ifir (o_Ifir),

.o_Qfir (o_Qfir),

.o_cos  (),

.o_sin  (),

.o_modc (),

.o_mods (),

.o_mod  (o_mod_T)

);

 

//加入信道

awgns awgns_u(

    .i_clk(i_clk),

    .i_rst(i_rst),

    .i_SNR(i_SNR), //这个地方可以设置信噪比,数值大小从-10~50,

    .i_din(o_mod_T[24:9] + o_mod_T[25:10]),

    .o_noise(),

    .o_dout(o_Nmod_T)

    );  

 

 

//QPSK解调

RQPSK RQPSKU(

.i_clk  (i_clk),

.i_rst  (i_rst),

.i_med  (o_Nmod_T),

.o_cos  (),

.o_sin  (),

.o_modc (o_rmodc),

.o_mods (o_rmods),

.o_Ifir (o_rIfir),

.o_Qfir (o_rQfir),

.o_Ibits(),

.o_Qbits(),

.o_Ibits_data(o_Ibits_data),

.o_Ibits_head(o_Ibits_head),

.o_Ipeak(o_Ipeak),

.o_Ien_data(o_Ien_data),

.o_Ien_pn(o_Ien_pn),

.o_Iframe_start(o_Iframe_start),

.o_Qbits_data(o_Qbits_data),

.o_Qbits_head(o_Qbits_head),

.o_Qpeak(o_Qpeak),

.o_Qen_data(o_Qen_data),

.o_Qen_pn(o_Qen_pn),

.o_Qframe_start(o_Qframe_start)

);

    

 

 

 

 //计算误码率   

 //I,Q两路分别计算,最后统计平均值作为误码率

//error calculate

wire [31:0]w_error_num1;

wire [31:0]w_error_num2;

Error_Chech Error_Chech_u1(

    .i_clk(i_clk),

    .i_rst(i_rst),

    .i_trans({i_Ibits}),

    .i_en_data(o_Ien_data),

    .i_rec(o_Ibits_data),

    .o_error_num(w_error_num1),

    .o_total_num(),

    .o_rec2     ()

    );

    

//error calculate

Error_Chech Error_Chech_u2(

    .i_clk(i_clk),

    .i_rst(i_rst),

    .i_trans({i_Qbits}),

    .i_en_data(o_Qen_data),

    .i_rec(o_Qbits_data),

    .o_error_num(w_error_num2),

    .o_total_num(o_total_num),

    .o_rec2     ()

    );

assign o_error_num={w_error_num1[31],w_error_num1[31:1]} + {w_error_num2[31],w_error_num2[31:1]} ;

    

endmodule`