QPSK调制器的工作原理.docx

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1、QPSK调制器的工作原理早在本世纪初人们就了解通讯的重要性。从电子时代初期开始，随着技术的不 断发展，本地通讯与全球通讯的之间壁垒被打破，从而导致我们世界变得越来 越小，人们分享知识和信息也更加容易。贝尔和马可尼可谓通讯事业的鼻祖， 他们所完成的开拓性工作不仅为现代信息时代奠定了基础，而且为未来电讯发 展铺平了道路。传统的本地通讯借助于电线传输，因为这既省钱又可保证信息可靠传送。而长 途通讯则需要通过无线电波传送信息。从系统硬件设备方面考虑这很方便省 事，但是从传送信息的准确性考虑，却导致了信息传送不确定性增加，而且由 于常常需要借助于大功率传送设备来克服因气象条件、高大建筑物以及其他各 种各

2、样的电磁干扰。各种不同类型的调制方式能够根据系统造价、接收信号品质要求提供各种不同 的解决方案，但是直到不久以前它们大部分还是属于模拟调制范畴，频率调制 和相位调制噪声小，而幅度调制解调结构要简单的多。最近由于低成本微控制 器的出现以及民用移动电话和卫星通信的引入，数字调制技术日益普及。数字 式调制具有采用微处理器的模拟调制方式的所有优点，通讯链路中的任何不足 均可借助于软件根除，它不仅可实现信息加密，而且通过误差校准技术，使接 收到的数据更加可靠，另外借助于DSP,还可减小分配给每个用户设备的有限 带宽，频率利用率得以提高。如同模拟调制，数字调制也可分为频率调制、相位调制和幅度调制，性能各有

3、 千秋。由于频率、相位调制对噪声抑制更好，因此成为当今大多数通讯设备的 首选方案，下面将对其详细讨论。数字调频对传统的模拟频率调制(FM)稍加变化，即在调制器输入端加一个数字控制信 号，便得到由两个不同频率的正弦波构成的调制波，解调该信号很简单，只需 让它通过两个滤波器后就可将合成波变回逻辑电平信号。通常，这种调制方式 称为频移键控(FSK)。数字调相数字相位调制或相移键控(PSK)与频率调制很相似。不过它的实现是通过改变发 送波的相位而非频率，不同的相位代表不同的数据。PSK最简单的形式为，利 用数字信号对两个同频、反相正弦波进行控制、不断切换合成调相波。解调 时，让它与一个同频正弦波相乘，

4、其乘积由两部分构成：2倍频接收信号的余 弦波；与频率无关，幅度与正弦波相移成正比的分量。因此采用低通滤波器滤 掉高频成分后，便得到与发送波相应的原始调制数据。仅从概念上难以描述清 楚，稍后我们将对上述结论进行数学证明。正交相移调制如果对上述PSK概念进一步延伸，可推测调制的相位数目不仅限于两个，载波 应该能够承载任意数目的相位信息，而且如果对接收信号乘以同频正弦波就可 解调出相移信息，而它是与频率无关的直流电平信号。正交相移调制(QPSK)正是基于该原理。利用QPSK,载波可以承载四种不同的相 移(4个码片)，每个码片又代表2个二进制字节。初看这似乎毫无意义，但现 在这种调制方式却使同一载波能

5、传送2比特的信息而非原来的1比特，从而使 载波的频带利用率提高了一倍。下面给出了解调相位调制信号和进而的QPSK信号。首先定义欧拉公式，然后利用大量的三角恒等式进行证明。有欧拉公式：sin cot 2jCOSCDt =+e-拙2-把两个正弦波相乘，得:sin2 cot2j2je2jwt - 2e + e 2jwtcos 2oot 2 2Equation I从上式可以看出，两个同频正弦波(一个为输入信号，另一个为接收混频器本振信号)相乘，其乘积为一个幅度只有输入信号一半、2频率加倍的高次谐波迭加一个幅度为1/2的直流偏置。类似地sin 3t与cos 3t相乘的结果为：e2jt _ e -2jwt

6、sin wtxcoscjot =：工.勺=2 sin 2 out只有二次谐波sin 2on,无直流成分。现在可以推断，sin 3 t与任意相移的同频正弦波(sin 3 t + 0)相乘，其乘积-解调波，均含有输入信号的二次谐波，同时还包括一个与相移0有关的直流成 分。证明如下:eM _ e-M ei)_ e-j(t+1)sin a)t x sin(wt + 0) =-x-22jj(2ot+。)iot-4-wt) j(2wt 柿)c- c- c+ ccos(2cot + 4) e为+广弁cos(2cot + 4) cos(|)F + 2cos cos(2oot + 4)z撤液射频22上述等式验证

7、了前面推断的正确性，即包含于载波中的相移可用同频的本振正 弦波对其相乘，然后通过一低通滤波器滤波，便解调出与相移多少相对应的不 同的成分。不幸的是，上式仅限于两相限应用，因为它不能把兀/2与-冗/2相 移区分开。因此，为了准确地解调出分布于四个相限的相移信息，接收端需要 同时采用正弦型和余弦型本振信号对输入信号做乘积，滤掉高次谐波再进行数 据重构。其证明过程即上述数学证明的延伸，如下所示。因此：eM + e-M ejgt+0) _e-j(wt-H)cosoot x sin(cot + cb) =x22jv c c g=sin( 2cot + )e-6一的=+24j= s + 4)+士 .微波的

8、频 22一个SPICE模型验证了上面的理论。图1显示了简单的解调器电路的框图。在 QPSK IN的输入电压是一个1MHz的正弦波，它的相位每个5M被变换一次， 状态分别是45、135、225和315。FIGURE 1图2和图3分别显示了同相电压波形VI和正交电压波形VQ。它们都是带有与 相位偏移成比例的直流偏移的2MHz频率的信号，这就验证上面的数学推理。800mVFIGURE 2FIGURE 3图4是一个显示QPSK IN的相位偏移和解调数据的矢量图。上述理论很容易被接受，根据它，从载波中获得信息很简单，只要在接收端混 频器输出加上一级低通滤波器，再对四路电压重新组合，便能将它们变为相应 的

9、逻辑电平信号。然而在实际应用中，要得到与输入信号准确同步的木振信号 并非易事。如果本振信号的相位相对于输入信号有变化，则相量图中的信号会 旋转变化，其大小与两者的相位差成比例。更进一步，如果本振信号的相位与 频率相对输入信号均在变化，则相量图中的相量会不断地旋转变化。因此，解调电路前端输出均有一级ADC,由本振信号的相位和频率变化引起的 任何误差均可在后级DSP中得到修正。直接变换到基带的有效方法是采用直接变频调谐器IC。当然，上述产品只是Maxim日益增多的射频IC中的一部分。借助于5种高频工 艺，Maxim正在开发超过70个品种的标准高频集成电路，另外还有52种专用 集成电路电路(ASIC)也正在开发过程中。Maxim在高频、无线、光纤、电缆以 及仪器领域正扮演越来越重要的角色。