实验九--QPSK调制与解调(7页).docx

-第 1 页实验九-QPSK调制与解调-第 2 页实验九、QPSK、QDPSK 调制与解调一、实验目的1、掌握 QPSK 调制与解调的基本原理及实现方法。2、掌握 QDPSK 调制与解调的基本原理及实现方法。3、分析 QPSK、QDPSK 系统的有效性和可靠性。二、实验原理为提高通信的有效性，最常用的办法的是采用多进制的数字调制。MPSK 和 MDPSK 就是多进制的数字相移键控即多相制信号，前者称为多进制绝对相移键控，后者称为多进制相对（差分）相移键控，它们都用 M 个相位不同的载波来表示 M 个不同的符号。一般来说，有nM2，因此，一个符号可以代表 n bit 的二进制码元。1、QPSK 信号分析信号分析QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控）又叫四相绝对相移键控（4PSK），它利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表 2bit 信息，故每个四进制符号又被称为双比特码元。把组成双比特码元的前一信息比特记为 a 码，后一信息比特记为 b 码，为使接收端误码率最小化，双比特码元（a，b）通常按格雷码（Gray code）方式排列，即任意两个相邻的双比特码元之间只有一个比特发生变化。图 9.1 给出了双比特码元（a，b）与载波相位的对应关系，其中图（a）表示 A 方式，图（b）表示 B 方式。图 9.1 QPSK 信号相位矢量图（a）A 方式（2/系统）（b）B 方式（4/系统）表 9.1 双比特码元与载波相位之间的对应关系双比特码元载波相位nabA 方式B 方式00902350101351127045-第 3 页10180315根据相位矢量图，得到双比特码元与载波相位之间的对应关系，如表 9.1 所示。A 方式的 QPSK 信号可表示为B 方式的 QPSK 信号可表示为由于 QPSK 信号普遍采用正交调制（又称 IQ 调制）法产生，故 QPSK 信号统一表示为这样，将 a 码送入 I 路，b 码送入 Q 路，然后将 I 路信号与载波tccos相乘，Q 路信号与正交载波tcsin相乘，之后通过加法器相加，即可得到 QPSK 信号。2、QPSK 调制调制以 B 方式为例，QPSK 信号的产生方法有两种：一是正交调制法，二是相位选择法。（1）正交调制(IQ 调制)法二进制调相信号通常采用键控法，而多进制调相信号普遍采用 IQ 调制法产生。正交调制法产生 QPSK 信号的原理框图如图 9.2 所示，它可以看成由两个 2PSK 调制器构成，上支路将 a 码与余弦载波相乘，下支路将 b 码与余弦载波相乘，这样产生载波相互正交的两路2PSK 信号，再将这两路信号相加，通过矢量合成便是 QPSK 信号。图 9.2 正交调制法产生 QPSK 信号（a）原理框图（b）矢量合成原理图中输入的数字基带信号)(tA是二进制的单极性不归零码，通过“串/并变换”电路变成并行的两路码元a和b后，其每个码元的传输时间是输入码元的 2 倍，且单极性信号将变为双极性信号。其变换关系式将“1”变为“+1”、“0”变为“-1”。“串/并变换”过程如图 9.3 所示，图中 0、1、2 等表示为二进制基带码元的序号。从电路实现的角度看，串并变换实现了双比特码元和 I、Q 两路信号幅度之间的映射，如表 9.2 所示。IQ 信号幅度只有 2 种取值，设为2/1是为了保证输出 QPSK 信号幅度为 1。图 9.3 串/并变换电路工作原理表 9.2 双比特码元与 IQ 信号幅度及载波相位之间的映射关系双比特码元 abI、Q 路信号（幅度）I、Q 路调制后相位合成相位n-第 4 页002/1，2/1，2/34/5012/1，2/1，2/4/3112/1，2/10，2/4/102/1，2/10，2/34/7（2）相位选择法相位选择法原理框图如图 9.4 所示。图中载波产生器产生四种相位的载波，经逻辑选择电路，根据输入信息 a 和 b，决定选择哪个相位的载波输出，然后经过带通滤波器滤除高频分量。这种方式适合用于载频较高的场合。图 9.4相位选择法产生 QPSK 信号的原理框图3、QPSK 解调解调图 9.5QPSK 信号解调原理框图QPSK 信号的解调可以用两个正交的载波信号实现相干解调，如图 9.5 所示。由于 QPSK信号可以看作是两个正交 2PSK 信号的叠加，所以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的 2PSK 信号。相干解调后的两路并行码元a和b，经过并/串变换后，可恢复出原串行信息。这种解调仍然存在相位模糊现象。4、QDPSK 调制调制为了克服 QPSK 的相位模糊现象，人们常采用 QDPSK 调制，即用相邻码元载波相位的相对变化来表示数字基带信号，它可以理解为四进制的相对（差分）相移键控。将表 9.1 中的n换成n，即得 QDPSK 信号的编码规则，此时n是本码元载波相位相对于前一码元的相位变化。QDPSK 信号产生方法与 QPSK 信号的产生方法类似，只需在图 9.2（a）中发送端串/并变换后增加差分编码器，即可获得 QDPSK 信号。图 9.6 正交调制法产生 QDPSK 信号的原理框图关于差分编码：发送端差分编码的实现常用“模 4 加”电路，如图 9.7 所示。图 9.7 差分编码的实现（a）模 4 加电路（b）模与双比特码元的对应关系模 4 加的运算法则是：相加之值4，其和减 4 为结果值；相加之值=4，结果值为 0。例如：-第 5 页5、QDPSK 解调解调QDPSK 信号的解调方法和 2DPSK 解调类似，也有极性比较法和差分检测法两种。QDPSK 信号极性比较法的解调原理框图如图 9.7 所示，与图 9.5 比较，只是多了一个码反变换（差分译码），将差分码变成绝对码。图 9.7QDPSK 信号极性比较法解调的原理框图关于差分译码（逆码变换）：接收端差分译码的实现常用“模 4 减”电路。模 4 减的运算法则是：相减之值0，其差为结果值；相减之值新建-其他(O).，弹出“新建”窗口，选择 Zrc 菜单-新建一个 ZRC工程，点击下一步进入“创建一个新的 egrc 工程”窗口，输入项目名 2FSK，点击完成，出现空白的 2FSK.zrc 工程设计窗口。2、模拟法产生 2FSK 信号，观察波形和频谱。（1）在工程设计窗口中依次添加文件信源、信号源(1)、信号源(2)、数据组帧、比特扩展、整型至浮点型、反相器、乘法器、加法器、浮点至复数型、KZSDR 信宿、示波器、频谱仪等模块。（2）各模块作用及设置如下：文件信源模块：产生基带信号，50 个 bit 的随机“0”或“1”序列；信号源(1)模块：产生载波信号 1，频率为 20KHz，幅度为 1，相位为 0 的余弦信号；信号源(2)模块：产生载波信号 2，频率为 40KHz，幅度为 1，相位为 0 的余弦信号；-第 6 页数据组帧模块：产生 24 个 bit“0”或“1”组成同步序列码，对基带信号加入同步码，其作用是使其能够在 2FSK 解调时能够解码基带信号；KZSDR 模块：2FSK 信号发送模块，同时设置 KDZL-SDR-RL01 通用软件无线电开发平台的相关参数：采样率为 400KHz，中心频率为 340MHz，信号增益为 60dB(可调)，发送天线通道为 RX2，发送信号带宽为 400KHz。比特扩展模块：矩形成波，将基带信号波形变为矩形波。反相器模块：将基带信号进行反相。“0”码变为“1”码，“1”码变为“0”码。（3）系统连线，如图 7.7 所示。（4）编译，运行。（5）观察波形，如图 7.8 所示。（6）观察频谱，如图 7.9 所示。3、键控法产生 2FSK 信号，观察波形和频谱。4、包络检波法解调 2FSK 信号，观察波形和频谱。（1）（2）（3）（4）5、相干解调法解调 2FSK 信号，观察波形和频谱。（1）（2）（1）（2）-第 7 页（3）（4）四、观察与思考1、画出2/体制的 QDPSK 调制器原理框图和相位矢量图。答：2、在信道中加入高斯白噪声，观察解调后误码率的变化。3、在接收端如果本地载波与发送载波不同相，观察解调后误码率的变化。