2022年通信原理QPSK调制系统实验指导书 .pdf

通信原理实验指导书信息学院通信教研部名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 18 页 - - - - - - - - - 目录实验五、 QPSK 调制系统设计与仿真一、 实验目的1. 掌握（ QPSK ）调制系统的原理及在通信传输系统中的应用。2. 掌握（ QPSK ）调制系统模型的构建技术。3. 掌握（ QPSK ）调制系统的设计与实现方法。4. 深入理解、分析、掌握二进制相移键控（QPSK ）调制系统各模块间参数的设置及相互间的关联与影响。5. 能够按不同用户的技术指标需求，进行（QPSK ）调制系统的设计。6. 掌握（ QPSK ）调制系统的测试方法。7. 掌握对（ QPSK ）调制系统的相关参数、信号时域波形进行分析的方法。8. 对比原始发送数据信号经调制系统后产生的QPSK 时域信号波形。二、 实验仪器（软 / 硬件环境及所需元器件模块）1. PC机一台2. 安捷伦科技 EESof 软件 ADS：Advanced Design System 2005A 3. 计算机操作系统： Win 2000, Win XP, HP Unix11.0, Sun Unix 5.8 等4. 元器件模块：（1） 正弦波发生器、余弦波发生器各一个。Sinusoid正弦波信号发生器（Sinusoid signal generator）Phase=90.0 时正弦波发生器会变成余弦波发生器。；（2） Data 数字序列信号发生器（ Data generator） ；（3） 信号类型转换器（ Signal Converters） ：TimedToFloat 信号类型转换器、 FloatToTimed 信号类型转换器；（4） TimedSink信号接收器（ Timed Data Collector） ；（5） IQ 时序信号分离器件“元件名”为SymbolSplitter，（6） SpectrumAnalyzer频谱分析仪（ Spectrum analyzer） ；（7） DF 数据流控制器 (Data Flow Controller)；（8） Mpy2 乘法器（ 2-Input Multiplier） ；（9） VAR 变量和方程式模块( 器件 ) （Variables and Equations Component） 。（10）时钟源 Clock ，（11）加法器件 Add2 ，（12）限幅器 Limiter ，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 18 页 - - - - - - - - - 三、 实验原理 QPSK四相绝对相移键控，用载波信号的4 个初始相位对应 4 进制码元。因此，对于输入的二进制数字序列每2 比特分为一组，称为双比特码元AB ，然后用 4种不同的载波相位分别表征这4 种数字码元。按 AB分组与载波相位的对应关系有/2 体系(也称 A方式) 与 /4 体系(也称 B方式)，具体定义如表 6-2 所示：表 6-2 双比特码元与载波相位的关系双比特码元AB载波相位nAB/2 体系（ A方式）/4 体系 (B 方式 )0 0 0（00）5/4 （225）1 0 /2 （090）7/4 （315）1 1 （0180）/4 （45）0 1 3/2 （0270）3/4 （135）QPSK 信号双比特码元与相位矢量关系图，如图6-29 所示图 1 QPSK 信号双比特码元与相位矢量关系图四相制也分为四相绝对移相调制（记为4PSK或 QPSK ） 。根据表 6-2 及图 1 的对应关系，可以画出相应的QPSK 的 A方式与 B方式波形图。如图 2 所示。在图中绝对四相调制QPSK 波形，是由双比特码元对载波的相位进行绝对调相得到的；而 QDPSK 的波形是由双比特码元对载波的相位进行相对调相得到的。在 QDPSK 中，仍可用图 2 所示的双比特码元与相位矢量关系图；与QPSK 不同的是，本码元参考相位不是固定的载波相位而是前一双比特码元的初始相位。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 18 页 - - - - - - - - - 即本码元的初始相位值是在前一双比特码元的初始相位值的基础上，再加上图 2所示的相位矢量关系图中双比特码元与所对应的相位量值得出的。图 6-30 QPSK 和 QDPSK 的波形图为了表示方便，图6-30 中在一个双比特码元宽度bT内只画了一个周期的载波。在实际中应注意载波频率和码元宽度( 或速率 )的对应关系。（1）相法产生 4PSK 信号调相法产生 4PSK信号的原理如图 3 (a) 所示， （属于 /4 体系） 。它是由两路相互正交的 2PSK相加构成的。图中串 / 并变换器将输入的二进制序列变成两路并行的双极性序列信号，分别进行2PSK调制后再相加，就得到4PSK信号。注意：每一个支路信号的速率是原始基带信号速率的一半！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图 6-31 调相法产生 4PSK信号原理图图 6-32 QDPSK信号的产生原理框图（2）相位选择法产生QPSK 信号用相位选择法产生QPSK 信号的组成框图如图6-33 所示。 然后经带通滤波器滤除高频分量。这种方法比较适合载频较高的场合。图 6-33 相位选择产生QPSK 信号原理框图4QPSK 、QDPSK 信号的解调名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 18 页 - - - - - - - - - 四、 实验内容1. 设计一个（ QPSK ）调制系统。采用相法产生QPSK 信号。2. 应用 ADS 软件： Advanced Design System 2005A 构建所设计的（QPSK ）调制系统模型。3. 应用 ADS 软件： Advanced Design System 2005A对所设计的（QPSK ）调制系统进行测试及分析。(1). 记录保存各点的测试数据。(2). 测试、观察、画出（ QPSK ）调制系统各关键点的时域波形，并对其进行比较、分析。(3). 测试、观察、画出（ QPSK ）调制系统的基带信号和已调信号的频域波形，并对其进行比较、分析。五、 实验步骤1.应用 ADS 软件： Advanced Design System 2005A构建所设计的（QPSK ）调制系统。要求采用乘法器的方法产QPSK 信号。开始步骤与 （QPSK ）调制系统实验相同：（1）开始运行 ADS ：执行“程序 -Advanced Design System 2005A-RF Designer ” ， 如图（图 5.1 ） 。图 5.1 图 5.2 （2）新建一个工程文件：在 ADS窗口，执行 “File- New Project ” ， 如图（图 5.2） 。 在 “New Project ”窗口中，创建工程名d： 学生姓名，如d：zhanglibao如图（图 5.3 ） ，点击名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 18 页 - - - - - - - - - OK 。图 5.3 图 5.4 在出现的“ Schematic Wizard ”窗口，选中“ No help needed ”如图（图5.4 ） ，Finish 即可完成创建。进入原理图窗口如图（图5.5 ） 。图 5.5 （3）创建项目文件：在原理图窗口中，执行 “File- New Design”并命名为：“学生姓名” ，如图（图5.6 ） 。在“ Type of Network”中，选中“ Digital Sigal Processing Network” ，其它的不变点击 OK 。图 5.6 2. 构建（ QPSK ）调制系统模型及参数设置(1).寻找元器件有三种方法 ：(a) . 知道元器件在哪个库中时选择相应的“库函数”，从下方的“元件图”中拉出想要的元器件。 如图（图 5.7 ）(b) . 知道元器件名时在“元件名”的位置直接输入“元件名”即可调出元器件。注意：输入时系统区分大小写。如图（图5.7 ）(c) . 前两种都不知道， 只知道大概的元器件名时，点击“查找元件图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 18 页 - - - - - - - - - 标” ，如图（图 5.7 ） 。在出来的窗口中点击输入 sin 进行查找，即可出现如图（图5.8 ）的结果，点中Sinusoid那行即可拉出相应的元器件。在Libraries中可以看到相应的库名。图 5.7 图 5.8 （2）配置系统模型中各模块及参数设置(a). 需要的元器件 有：需要的元器件名称有正、余弦波发生器，DATA信号发生器，信号类型转换器，信号接收器，频谱仪器，DF数据流控制器，乘法器，VAR变量和方程式器件，加法器，IQ 时系分离器。，带通滤波器，抽样保持器，时钟源，低通滤波器，限幅器。在实验一的基础上添加器件。 把实验一中的正弦波发生器， 信号类型转换器，信号接收器，乘法器进行复制，再添加新的器件。图 5.1(b). 按照寻找元器件 的第二种方法搭建，正弦波发生器 “元件名”为 Sinusoid ，用两个。双击如图（图5.1 ）中的正弦函数，出现如图（图 5.2 ） 并按图进行参数设置。 TSemp= Tsemp ， Vpeak=1.0V，Frequency=1MHz， Phase=0.0 ， DecayRatio=0 ， Delay=0.0sec， Duration Time=1usec，Repetitionlnterval=1usec。其中 Tsemp是变量，会在 VAR 变量和方程式器件中赋值。 当有不明白的地方时可以点击如图 （图 5.2 ） 右下角的 help帮助进行了解。当“ Display parameter on schematic ”前面打对勾时证明需要显示。余弦波发生器 Phase=90.0 时正弦波发生器会变成余弦波发生器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图 5.2 DATA信号发生器 “元件名”为 Data；并按如图（图5.3 ）进行参数设置。Rout=50.0m0hm ， RTemp=-273.15 ， TSemp= Tsemp ， BitTime= BitTime ， UserPsttern=“1011010011111011010001 ” ，SequencePattern=8 ，Repeat=Yes。其中 Tsemp 、BitTime 是变量，会在 VAR变量和方程式器件中赋值。图 5.3 信号类型转换器 （1. 黑色箭头表示时系数，2. 蓝色箭头表示浮点数） “元件名”为 TimedToFloat 用三个， FloatToTimed 用一个，注意蓝的要和蓝的箭头接，黑的要和黑色箭头接，颜色一定要一致。信号类型转换器Timed To Float 的作用是把模拟信号变为数字信号如图 （图 5.4 ） ， Float To Timed是反过来。信号类型转换器不需要修改参数。图 5.4 信号接收器 “元件名”为Timed Sink用三个，如图（图5.5 ） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 18 页 - - - - - - - - - 频谱分析仪 “元件名”为 Spectrum Analyzer用一个。如图（图5.5 ） 。图 5.5 DF数据流控制器“元件名”为 DF ， 并按如图（图 5.6 ） 进行参数设置。Default Numeric Start=0 ，Default Numeric Stop=100， DefaultTimeStart=0usec，DefaultTimeStop=1000usec 。并在“display ”窗口中在这四项打上对勾，OK进行显示。图 5.6 乘法器 “元件名”为 Mpy2 ，这是一个数字乘法器。如图（图 5.7 ）图 5.7 VAR变量和方程式器件 “元件名”为 VAR ，并按如图（图5.8 ）进行参数设置。Tstep=0.01usec ，BitTime=100usec 。图 5.8 图 5.9 加法器件 “元件名”为 Add2，这是一个数字加法器。如图（5.9 ）IQ 时序分离器件 “元件名”为 SymbolSplitter，并按如图（图 5.10 ）进行参数修改。 SymbolTime= BitTime ，Delay=0sec。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图 5.10 （3）构建系统连接图点 击 图标把找到的元器件进行连接，连接方式如图（图5.14 ）, 保存即可。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图 5.14 3运行仿真程序并分析仿真结果：在原理图窗口中，单击Simulate 运行程序，结果正确时，运行完后，单击出现显示窗口，点击并拉出图框，在“Plot Type”窗口中，加入 T3（数据流）、T6 （Q口线） 、T10 （I 口线） ，进行图形演示如图（图2.13） 。图形加入方法见实验一。在原理图窗口中，单击Simulate 运行仿真程序，结果正确时，出现如图（图 5.16）结果，单击图标，出现显示窗口，点击并拉出图框，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图 5.15 图 5.16 完成仿真后，在“ Plot Type”窗口如图（图 5.15）中，加入 T3（输入数据流）、T6（Q支线） 、T10（I 支线） ，图 5.17 原始数据、同相支路、正交支路信号如图（图5.18 ）所示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图 5.18 照此方法：完成仿真后，在“Plot Type”窗口中，加入要显示的图形即可，方法同上。图 5.19 中， T4（正弦波为同相支路载波） 、T7（余弦波为正交支路载波） 。图2.14 图 5.19 完成仿真后，在“ Plot Type”窗口中，加入T3（数据流）、T11（同相支路载波与同相支路信号调制后的波形） 、T7（正交支路载波余弦波与正交支路信号调制后的波形），如图（图 5.20） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图2.15 图 5.20 完成仿真后，在“ Plot Type ”窗口中，加入T5 调制完成后的 QPSK 输出波形、T11同相支路载波与同相支路信号调制后的波形、T7正交支路载波余弦波与正交支路信号调制后的波形，进行图形显示如图（图5.21） 。图 5.21 可见试验及仿真结果与理论设计、分析结果一致。六、 实验报告1. 保存构建的（ QPSK ）调制系统模型结构图2. 列出模型中各器件所设置的参数3. 保存实验仿真结果各关键点的波形图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 18 页 - - - - - - - - - 4. 分析、比较输入数据流、本地振荡正弦波、余弦波、 QPSK 已调 输出波图形。七、注意事项 1.注意设计过程中要适时保存设计结果。 2. 注意适时保存设计的仿真结果。八、思考题1若改变系统设置的参数，对仿真结果会产生什么影响？2二相调制与四相调制的联系与区别。结构图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 18 页 - - - - - - - - - T5：I 支线T6: 输入数据流T4: Q 支线2 个正弦波正交支路载波余弦波与正交支路信号调制后的波形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 18 页 - - - - - - - - - T6：输入数据流T11：正交支路载波余弦波与正交支路信号调制后的波形T12：同相支路载波与同相支路信号调制后的波形T11正交支路载波余弦波与正交支路信号调制后的波形T12同相支路载波与同相支路信号调制后的波形T13调制完成后的 QPSK 输出波形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 18 页 - - - - - - - - -