2FSK与QPSK混合调制解调技术的研究

毛昕蓉　陈蓉

摘要：四相相移键控（QPSK）以及频移键控（2FSK）为常用的短距离无线数字通信制式，凭借良好的抗干扰性能以及简单的实现方式，在通信领域有着较为广泛的应用。QPSK频谱利用率比较高、抗干扰性强，广泛应用于各种通讯系统。2FSK实现方式简单，可异步传输，抗噪和抗衰减性能好，在中低速数据传输中广泛应用。本文对QPSK与2FSK两种调制解调技术进行研究，基于二者调制解调原理，介绍一种新颖的调制解调方式，即QPSK与2FSK混合调制解调。对传统QPSK和2FSK单一调制方式进行改良，将信号混合在一起，通过同一信道同时发射，同时接收解调，提高信道利用率。

关键词：QPSK;2FSK;混合调制

1 系统概述

虽然数字调制和解调技术种类繁多，但随着现代通信需求的增长，人们对调制技术的抗干扰、天抗衰落、频谱利用和误差性能提出了越来越高的要求。单一的调制解调技术早已不能够达到人们的要求，因此本文提出了一种混合调制解调技术，以满足现代通讯的需要。

本文对传统的QPSK和2FSK单调制方法进行了改进，对QPSK和2FSK调制信号进行了混合调制。QPSK码率为2Mbps，系统时钟频率为16MHz，在9dB信噪比情况下误码率小于0.1%;2FSK码率为10kbps，系统时钟频率为16MHz，在9dB信噪比情况下误码率小于0.1%。

图1是发射机系统的框图。原始信号分为两个信号：输入1，输入2，分别进行QPSK调制以及2FSK调制。由QPSK调制产生的I路信号与2FSK调制产生的I路信号相互叠加，由QPSK调制产生的Q路信号和2FSK调制生成的Q路信号相互叠加。将得到的两路信号经过数字，上变频模块合成一路中频信号，其载波频率为4MHz，混频后进行发射。

图2为接收机系统框图。首先将接收到的RF信号经ADC采样量化，使其成为频率为4MHz的中频信号，经过数字下变频模块与本振信号相乘，通过滤波分别获得I路与Q路的混合信号（此时的两路混合信号即为发射机端的两路混合信号），把两路混合信号分别送入2FSK解调模块与QPSK解调模块，根据QPSK和2FSK的特点分别对其做相应的模块解调工作。

2 仿真测量结果

2.1 QPSK调制模块仿真

在QPSK发射机中，信源产生的二进制基带信号经过串并转换后生成生两路BPSK信号，然后分别经过双极性变换和16倍“0”值插值。插值后引入了镜像频谱，并且信号的频带变窄，如图3所示。因此要将“0”值插值后的信号通过低通滤波，滤除镜像频谱。低通滤波后，基带信号的频域波形如图4所示：

从滤波后的频域波形中可以发现，低通滤波器将“0”值插值后信号中产生的镜像频带完全过滤掉了，只保留了原始基带信号的频率信息。这样就得到了QPSK的基带调制信号。

2.2 2FSK调制模块仿真

图5所示为20KHz的正弦NCO和40KHz正弦NCO的输出信号接入选通器，生成的2FSK_l路信号，将两个频率的余弦NCO输出信号接入另一个选通器，生成2FSK_Q路信号，Q路与I路信号始终有着90°相位差，采用这种特殊波形，在码元相关时，一个周期内只会生成一个相关峰，大大优化了峰值检测和判决的准确度。图6所示波形为I路的2FSK信号与QPSK信号相加后的波形。

2.3 QPSK解调模块仿真

混合信号的频谱分量包含20KHz、40KHz、1MHz，在发射端通过正交上变频模块经过4MHz的上变频后，频谱进行了4MHz的搬移，因此在接受端需首先经过4MHz的下变频，然后经过一个截止频率为4MHz的低通滤波器，滤除多余的频谱分量，便得到了频谱在0附近的2FSK频谱分量和QPSK频谱分量，再经过一个截止频率为50KHz的高通滤波器，我们便能得到仅含QPSK频率分量的频谱图，从而滤掉2FSK进行QPSK的解调。

在QPSK解调中，我们采取星座图解调的方法，首先進行两个16bit的前头码相关，找到相关峰后如图7，便可以确定信号的起始位置建立新的星座图坐标系如图8所示。

2.4 2FSK接收机系统定点仿真

正交解调后，我们将2FSK信号进行了40倍抽取，这样是为了降低采样频率和采样点数，降低数据处理量。对1路与Q路信号分别进行码元“0”和码元“1”相关，相关后求平方和，从而得到数值为正的相关峰。进行相关后的波形如图9、10所示。图中很容易看出两种符号相关后的波形存在类似于“互补”状态的幅值，每个相关峰对应检测出一个2FSK数据，最终解调得到2FSK波形。

2.5 混合调制模式下性能测试

在通信过程中，难免会引入噪声，白噪声是通信中经常遇到的噪声中的一种，在噪声的干扰下，会影响通信系统的有效性和可靠性，因此需要进行性能评估。根据系统性能要求，对噪声从0dB～11dB进行测试，找到误码率达到千分之一以下时的信噪比。如图为误码率曲线：

从图中可以发现QPSK在8dB时，误码率为千分之一，达到误码要求;2FSK误码率在8dB时低于千分之满足系统要求。

3 结论

本文对传统的2FSK和QPSK单一调制方式进行了深入学习和改进，将两种调制信号进行混合，在同一信道完成同时接收和解调，实现了QPSK与2FSK混合调制解调，提升了传输信道的频带利用效率。另外，本文为实现其它混合模式的调制奠定基础，相信在不久的将来会有更多的混合调制涌现。

参考文献

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