實(shí)驗(yàn)九 QPSK調(diào)制與解調(diào).doc

實(shí)驗(yàn)九、QPSK、QDPSK調(diào)制與解調(diào)1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握QPSK調(diào)制與解調(diào)的基本原理及實(shí)現(xiàn)方法。2、 掌握QDPSK調(diào)制與解調(diào)的基本原理及實(shí)現(xiàn)方法。3、 分析QPSK、QDPSK系統(tǒng)的有效性和可靠性。2、 實(shí)驗(yàn)原理為提高通信的有效性，最常用的辦法的是采用多進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制。MPSK和MDPSK就是多進(jìn)制的數(shù)字相移鍵控即多相制信號(hào)，前者稱(chēng)為多進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控，后者稱(chēng)為多進(jìn)制相對(duì)（差分）相移鍵控，它們都用M個(gè)相位不同的載波來(lái)表示M個(gè)不同的符號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，有，因此，一個(gè)符號(hào)可以代表n bit的二進(jìn)制碼元。1、QPSK信號(hào)分析QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控）又叫四相絕對(duì)相移鍵控（4PSK），它利用載波的四種不同相位來(lái)表征數(shù)字信息。由于每一種載波相位代表2bit信息，故每個(gè)四進(jìn)制符號(hào)又被稱(chēng)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(gè)相鄰的雙比特碼元之間只有一個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，其中圖（a）表示A 方式，圖（b）表示B方式。圖9.1 QPSK信號(hào)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(duì)應(yīng)關(guān)系雙比特碼元載波相位A方式B方式0090235010135112704510180315根據(jù)相位矢量圖，得到雙比特碼元與載波相位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表9.1所示。A方式的QPSK信號(hào)可表示為，B方式的QPSK信號(hào)可表示為，由于QPSK信號(hào)普遍采用正交調(diào)制（又稱(chēng)IQ調(diào)制）法產(chǎn)生，故QPSK信號(hào)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(hào)與載波相乘，Q路信號(hào)與正交載波相乘，之后通過(guò)加法器相加，即可得到QPSK信號(hào)。2、 QPSK調(diào)制 以B方式為例，QPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種：一是正交調(diào)制法，二是相位選擇法。（1） 正交調(diào)制(IQ調(diào)制)法二進(jìn)制調(diào)相信號(hào)通常采用鍵控法，而多進(jìn)制調(diào)相信號(hào)普遍采用IQ調(diào)制法產(chǎn)生。正交調(diào)制法產(chǎn)生QPSK信號(hào)的原理框圖如圖9.2所示，它可以看成由兩個(gè)2PSK調(diào)制器構(gòu)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(chǎn)生載波相互正交的兩路2PSK信號(hào)，再將這兩路信號(hào)相加，通過(guò)矢量合成便是QPSK信號(hào)。圖9.2 正交調(diào)制法產(chǎn)生QPSK信號(hào) （a）原理框圖 （b）矢量合成原理圖中輸入的數(shù)字基帶信號(hào)是二進(jìn)制的單極性不歸零碼，通過(guò)“串/并變換”電路變成并行的兩路碼元和后，其每個(gè)碼元的傳輸時(shí)間是輸入碼元的2倍，且單極性信號(hào)將變?yōu)殡p極性信號(hào)。其變換關(guān)系式將“1”變?yōu)椤?1”、“0”變?yōu)椤?1”?！按?并變換”過(guò)程如圖9.3所示，圖中0、1、2等表示為二進(jìn)制基帶碼元的序號(hào)。從電路實(shí)現(xiàn)的角度看，串并變換實(shí)現(xiàn)了雙比特碼元和I、Q兩路信號(hào)幅度之間的映射，如表9.2所示。IQ信號(hào)幅度只有2種取值，設(shè)為是為了保證輸出QPSK信號(hào)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(hào)幅度及載波相位之間的映射關(guān)系雙比特碼元abI、Q路信號(hào)（幅度）I、Q路調(diào)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(chǎn)生器產(chǎn)生四種相位的載波，經(jīng)邏輯選擇電路，根據(jù)輸入信息a和b，決定選擇哪個(gè)相位的載波輸出，然后經(jīng)過(guò)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(chǎng)合。圖9.4 相位選擇法產(chǎn)生QPSK信號(hào)的原理框圖3、 QPSK解調(diào)圖9.5 QPSK信號(hào)解調(diào)原理框圖QPSK信號(hào)的解調(diào)可以用兩個(gè)正交的載波信號(hào)實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，如圖9.5所示。由于QPSK信號(hào)可以看作是兩個(gè)正交2PSK信號(hào)的疊加，所以用兩路正交的相干載波去解調(diào)，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號(hào)。相干解調(diào)后的兩路并行碼元和，經(jīng)過(guò)并/串變換后，可恢復(fù)出原串行信息。這種解調(diào)仍然存在相位模糊現(xiàn)象。4、 QDPSK調(diào)制為了克服QPSK的相位模糊現(xiàn)象，人們常采用QDPSK調(diào)制，即用相鄰碼元載波相位的相對(duì)變化來(lái)表示數(shù)字基帶信號(hào)，它可以理解為四進(jìn)制的相對(duì)（差分）相移鍵控。將表9.1中的換成，即得QDPSK信號(hào)的編碼規(guī)則，此時(shí)是本碼元載波相位相對(duì)于前一碼元的相位變化。QDPSK信號(hào)產(chǎn)生方法與QPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法類(lèi)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(hào)。圖9.6 正交調(diào)制法產(chǎn)生QDPSK信號(hào)的原理框圖關(guān)于差分編碼：發(fā)送端差分編碼的實(shí)現(xiàn)常用“模4加”電路，如圖9.7所示。圖9.7 差分編碼的實(shí)現(xiàn) （a）模4加電路 （b）模與雙比特碼元的對(duì)應(yīng)關(guān)系模4加的運(yùn)算法則是：相加之值4，其和減4為結(jié)果值；相加之值=4，結(jié)果值為0。例如：5、 QDPSK解調(diào)QDPSK信號(hào)的解調(diào)方法和2DPSK解調(diào)類(lèi)似，也有極性比較法和差分檢測(cè)法兩種。QDPSK信號(hào)極性比較法的解調(diào)原理框圖如圖9.7所示，與圖9.5比較，只是多了一個(gè)碼反變換（差分譯碼），將差分碼變成絕對(duì)碼。圖9.7 QDPSK信號(hào)極性比較法解調(diào)的原理框圖關(guān)于差分譯碼（逆碼變換）：接收端差分譯碼的實(shí)現(xiàn)常用“模4減”電路。模4減的運(yùn)算法則是：相減之值0，其差為結(jié)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(gè)ZRC工程，點(diǎn)擊下一步進(jìn)入“創(chuàng)建一個(gè)新的egrc工程”窗口，輸入項(xiàng)目名2FSK，點(diǎn)擊完成，出現(xiàn)空白的2FSK.zrc工程設(shè)計(jì)窗口。2、模擬法產(chǎn)生2FSK信號(hào)，觀(guān)察波形和頻譜。（1）在工程設(shè)計(jì)窗口中依次添加文件信源、信號(hào)源(1)、信號(hào)源(2)、數(shù)據(jù)組幀、比特?cái)U(kuò)展、整型至浮點(diǎn)型、反相器、乘法器、加法器、浮點(diǎn)至復(fù)數(shù)型、KZSDR信宿、示波器、頻譜儀等模塊。（2）各模塊作用及設(shè)置如下：文件信源模塊：產(chǎn)生基帶信號(hào)，50 個(gè) bit 的隨機(jī)“0”或“1”序列； 信號(hào)源(1)模塊：產(chǎn)生載波信號(hào)1，頻率為20KHz，幅度為 1，相位為0的余弦信號(hào)； 信號(hào)源(2)模塊：產(chǎn)生載波信號(hào)2，頻率為40KHz，幅度為 1，相位為0的余弦信號(hào)； 數(shù)據(jù)組幀模塊：產(chǎn)生24個(gè)bit“0”或“1”組成同步序列碼，對(duì)基帶信號(hào)加入同步碼，其作用是使其能夠在2FSK解調(diào)時(shí)能夠解碼基帶信號(hào)； KZSDR模塊：2FSK信號(hào)發(fā)送模塊，同時(shí)設(shè)置KDZL-SDR-RL01通用軟件無(wú)線(xiàn)電開(kāi)發(fā)平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)：采樣率為400KHz，中心頻率為340MHz，信號(hào)增益為60dB(可調(diào))，發(fā)送天線(xiàn)通道為RX2，發(fā)送信號(hào)帶寬為400KHz。 比特?cái)U(kuò)展模塊：矩形成波，將基帶信號(hào)波形變?yōu)榫匦尾ā?反相器模塊：將基帶信號(hào)進(jìn)行反相?！?”碼變?yōu)椤?”碼，“1”碼變?yōu)椤?”碼。（3）系統(tǒng)連線(xiàn)，如圖7.7所示。（4）編譯，運(yùn)行。（5）觀(guān)察波形，如圖7.8所示。（6）觀(guān)察頻譜，如圖7.9所示。3、鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)，觀(guān)察波形和頻譜。4、包絡(luò)檢波法解調(diào)2FSK信號(hào)，觀(guān)察波形和頻譜。 （