QPSK调制解调的FPGA设计及详细实验文档

QPSK调制解调 FPGA设计，有详细实验文档

调制模块里最核心的其实是IQ映射。举个栗子，当输入两比特数据"00"时，咱们直接给I路赋值0.707，Q路也0.707——别小看这个数，这是归一化后的最大幅度值。Verilog实现起来大概长这样：

always @(posedge clk) begin case(tx_data) 2'b00: begin i_out <= 16'h5A7F; //Q2.14格式的0.707 q_out <= 16'h5A7F; end 2'b01: begin i_out <= 16'hA581; q_out <= 16'h5A7F; end //...其他两种状态类似 endcase end

注意这里用了Q2.14定点数，实测发现这个精度在解调时误码率能控制在1e-4以内。不过刚开始调试时犯过蠢，符号位搞反了导致星座图镜像，后来用ILA抓信号才定位到问题。

成型滤波器这块必须上FIR，Xilinx的FIR IP核配置界面我闭着眼都能画出来。关键参数是滚降系数选0.35，插值倍数4倍。有个坑是输入数据位宽要和IP核设置匹配，之前用16位输入但IP核配置成18位，结果低位补零直接导致EVM恶化3dB。

解调端的载波恢复是重头戏，经典的Costas环用Verilog实现起来挺有意思。相位检测部分代码是这样的：

//相位误差计算 assign phase_error = (q_delay * i_early) - (i_delay * q_early);

这其实是利用了QPSK信号的相位正交特性。调试时发现环路滤波器的带宽设置特别讲究，太宽了抖动大，太窄了捕获范围小。最后在测试时用信号源故意加了10kHz频偏，反复调整才找到最优参数。

QPSK调制解调 FPGA设计，有详细实验文档

符号同步用早迟门算法效果不错，但要注意门限设置。实际测试发现当采样时钟偏差超过5%时误码率会飙升，这时候就得靠算法自动调整了。贴一段关键状态机代码：

case(sync_state) IDLE: if (cross_correlation > THRESHOLD) sync_state <= TRACKING; TRACKING: begin if(error_cnt > 3) sync_state <= RECOVERY; //...其他判断条件 end //...其他状态 endcase

硬件实测时发现个有趣现象：当用开发板的GPIO输出基带信号时，如果时钟走线太长，星座图会呈现奇怪的雪花状散点。换成LVDS接口后立马规整得像教科书插图，这个经验值得新手注意。

最后说下资源占用：在Artix-7 35T上整个调制解调链路吃掉12%的LUT、8%的FF，外加3个DSP48。功耗测试时发现温度最高的不是FPGA芯片，反倒是电源芯片——这提醒我们做高速设计不能只看逻辑资源。

整套系统联调时最爽的时刻，是第一次在频谱仪上看到完美的QPSK频谱，那个清晰的平方根升余弦滚降曲线，比任何仿真图都让人兴奋。