實驗九 QPSK調制與解調.doc

實驗九、QPSK、QDPSK調制與解調1、 實驗目的1、 掌握QPSK調制與解調的基本原理及實現(xiàn)方法。2、 掌握QDPSK調制與解調的基本原理及實現(xiàn)方法。3、 分析QPSK、QDPSK系統(tǒng)的有效性和可靠性。2、 實驗原理為提高通信的有效性，最常用的辦法的是采用多進制的數字調制。MPSK和MDPSK就是多進制的數字相移鍵控即多相制信號，前者稱為多進制絕對相移鍵控，后者稱為多進制相對（差分）相移鍵控，它們都用M個相位不同的載波來表示M個不同的符號。一般來說，有，因此，一個符號可以代表n bit的二進制碼元。1、QPSK信號分析QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控）又叫四相絕對相移鍵控（4PSK），它利用載波的四種不同相位來表征數字信息。由于每一種載波相位代表2bit信息，故每個四進制符號又被稱為雙比特碼元。把組成雙比特碼元的前一信息比特記為a碼，后一信息比特記為b碼，為使接收端誤碼率最小化，雙比特碼元（a，b）通常按格雷碼（Gray code）方式排列，即任意兩個相鄰的雙比特碼元之間只有一個比特發(fā)生變化。圖9.1給出了雙比特碼元（a，b）與載波相位的對應關系，其中圖（a）表示A 方式，圖（b）表示B方式。圖9.1 QPSK信號相位矢量圖 （a）A方式（系統(tǒng)） （b）B方式（系統(tǒng)）表9.1 雙比特碼元與載波相位之間的對應關系雙比特碼元載波相位A方式B方式0090235010135112704510180315根據相位矢量圖，得到雙比特碼元與載波相位之間的對應關系，如表9.1所示。A方式的QPSK信號可表示為，B方式的QPSK信號可表示為，由于QPSK信號普遍采用正交調制（又稱IQ調制）法產生，故QPSK信號統(tǒng)一表示為這樣，將a碼送入I路，b碼送入Q路，然后將I路信號與載波相乘，Q路信號與正交載波相乘，之后通過加法器相加，即可得到QPSK信號。2、 QPSK調制 以B方式為例，QPSK信號的產生方法有兩種：一是正交調制法，二是相位選擇法。（1） 正交調制(IQ調制)法二進制調相信號通常采用鍵控法，而多進制調相信號普遍采用IQ調制法產生。正交調制法產生QPSK信號的原理框圖如圖9.2所示，它可以看成由兩個2PSK調制器構成，上支路將a碼與余弦載波相乘，下支路將b碼與余弦載波相乘，這樣產生載波相互正交的兩路2PSK信號，再將這兩路信號相加，通過矢量合成便是QPSK信號。圖9.2 正交調制法產生QPSK信號 （a）原理框圖 （b）矢量合成原理圖中輸入的數字基帶信號是二進制的單極性不歸零碼，通過“串/并變換”電路變成并行的兩路碼元和后，其每個碼元的傳輸時間是輸入碼元的2倍，且單極性信號將變?yōu)殡p極性信號。其變換關系式將“1”變?yōu)椤?1”、“0”變?yōu)椤?1”?！按?并變換”過程如圖9.3所示，圖中0、1、2等表示為二進制基帶碼元的序號。從電路實現(xiàn)的角度看，串并變換實現(xiàn)了雙比特碼元和I、Q兩路信號幅度之間的映射，如表9.2所示。IQ信號幅度只有2種取值，設為是為了保證輸出QPSK信號幅度為1。圖9.3 串/并變換電路工作原理表9.2 雙比特碼元與IQ信號幅度及載波相位之間的映射關系雙比特碼元abI、Q路信號（幅度）I、Q路調制后相位合成相位00，01，11，0，10，0， （2）相位選擇法相位選擇法原理框圖如圖9.4所示。圖中載波產生器產生四種相位的載波，經邏輯選擇電路，根據輸入信息a和b，決定選擇哪個相位的載波輸出，然后經過帶通濾波器濾除高頻分量。這種方式適合用于載頻較高的場合。圖9.4 相位選擇法產生QPSK信號的原理框圖3、 QPSK解調圖9.5 QPSK信號解調原理框圖QPSK信號的解調可以用兩個正交的載波信號實現(xiàn)相干解調，如圖9.5所示。由于QPSK信號可以看作是兩個正交2PSK信號的疊加，所以用兩路正交的相干載波去解調，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號。相干解調后的兩路并行碼元和，經過并/串變換后，可恢復出原串行信息。這種解調仍然存在相位模糊現(xiàn)象。4、 QDPSK調制為了克服QPSK的相位模糊現(xiàn)象，人們常采用QDPSK調制，即用相鄰碼元載波相位的相對變化來表示數字基帶信號，它可以理解為四進制的相對（差分）相移鍵控。將表9.1中的換成，即得QDPSK信號的編碼規(guī)則，此時是本碼元載波相位相對于前一碼元的相位變化。QDPSK信號產生方法與QPSK信號的產生方法類似，只需在圖9.2（a）中發(fā)送端串/并變換后增加差分編碼器，即可獲得QDPSK信號。圖9.6 正交調制法產生QDPSK信號的原理框圖關于差分編碼：發(fā)送端差分編碼的實現(xiàn)常用“模4加”電路，如圖9.7所示。圖9.7 差分編碼的實現(xiàn) （a）模4加電路 （b）模與雙比特碼元的對應關系模4加的運算法則是：相加之值4，其和減4為結果值；相加之值=4，結果值為0。例如：5、 QDPSK解調QDPSK信號的解調方法和2DPSK解調類似，也有極性比較法和差分檢測法兩種。QDPSK信號極性比較法的解調原理框圖如圖9.7所示，與圖9.5比較，只是多了一個碼反變換（差分譯碼），將差分碼變成絕對碼。圖9.7 QDPSK信號極性比較法解調的原理框圖關于差分譯碼（逆碼變換）：接收端差分譯碼的實現(xiàn)常用“模4減”電路。模4減的運算法則是：相減之值0，其差為結果值；相減之值新建-其他(O).，彈出“新建”窗口，選擇Zrc菜單-新建一個ZRC工程，點擊下一步進入“創(chuàng)建一個新的egrc工程”窗口，輸入項目名2FSK，點擊完成，出現(xiàn)空白的2FSK.zrc工程設計窗口。2、模擬法產生2FSK信號，觀察波形和頻譜。（1）在工程設計窗口中依次添加文件信源、信號源(1)、信號源(2)、數據組幀、比特擴展、整型至浮點型、反相器、乘法器、加法器、浮點至復數型、KZSDR信宿、示波器、頻譜儀等模塊。（2）各模塊作用及設置如下：文件信源模塊：產生基帶信號，50 個 bit 的隨機“0”或“1”序列； 信號源(1)模塊：產生載波信號1，頻率為20KHz，幅度為 1，相位為0的余弦信號； 信號源(2)模塊：產生載波信號2，頻率為40KHz，幅度為 1，相位為0的余弦信號； 數據組幀模塊：產生24個bit“0”或“1”組成同步序列碼，對基帶信號加入同步碼，其作用是使其能夠在2FSK解調時能夠解碼基帶信號； KZSDR模塊：2FSK信號發(fā)送模塊，同時設置KDZL-SDR-RL01通用軟件無線電開發(fā)平臺的相關參數：采樣率為400KHz，中心頻率為340MHz，信號增益為60dB(可調)，發(fā)送天線通道為RX2，發(fā)送信號帶寬為400KHz。 比特擴展模塊：矩形成波，將基帶信號波形變?yōu)榫匦尾ā?反相器模塊：將基帶信號進行反相?！?”碼變?yōu)椤?”碼，“1”碼變?yōu)椤?”碼。（3）系統(tǒng)連線，如圖7.7所示。（4）編譯，運行。（5）觀察波形，如圖7.8所示。（6）觀察頻譜，如圖7.9所示。3、鍵控法產生2FSK信號，觀察波形和頻譜。4、包絡檢波法解調2FSK信號，觀察波形和頻譜。 （