基于軟件無線電QPSK調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究畢業(yè)論文

1、. . . . 摘要軟件無線電在無線通信領(lǐng)域被稱為是自模擬通信過渡到數(shù)字通信之后的又一次革命，在軍用和民用方面都有著廣闊的應(yīng)用。它是一種新的無線通信技術(shù)，基于通用的可編程的硬件平臺，把盡可能多的通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)，從而使系統(tǒng)的改進(jìn)和升級都非常方便，容易實(shí)現(xiàn)不同通信系統(tǒng)之間的兼容。調(diào)制與解調(diào)是整個數(shù)字通信系統(tǒng)基帶處理的基本組成部分，也基本上構(gòu)建了數(shù)字通信系統(tǒng)的總體性能框架。其中，QPSK調(diào)制與解調(diào)是一種性能較好，易于實(shí)現(xiàn)且已廣泛應(yīng)用于實(shí)踐的調(diào)制解調(diào)方式。本文在深入地研究了國外有關(guān)軟件無線電調(diào)制解調(diào)方面論文的情況下，以現(xiàn)代移動通信最常使用的QPSK調(diào)制解調(diào)模式為研究對象，給出了具體的調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的

2、方法，Matlab仿真。關(guān)鍵詞 : 軟件無線電，QPSK，調(diào)制解調(diào)，matlab仿真。ABSTRACTSoftware radio has called another revolution in radio communication after transition from analogue communication to digital communication. It has vast use in both of military and civil. Software radio is a novel wireless communications technology, w

3、hich is based on a versatile programmable platform to realize all kinds of communications criterions and to meet the need of many increasing new molds and function. When doing this, the change and upgrade of the system are convenient, and different systems can communicate effectively.Modem is the ba

4、sic elements of the whole digital communication system and the performance of digital communication system is influenced easily and has been used in the projects widely. QPSK is a linear narrowband modulation, which has the features of high spectrum utilization, better spectrum specification, and st

5、ronger ability of anti-fading and applicability of non-coherent detection.This article by thoroughly studied the domestic and foreign related software radio modulation and demodulation aspect papers , Take QPSK as the research object. Produced the detailed modulation and demodulation realization met

6、hod.Implement and test the QPSK using MATLAB.Key words: Software radio, QPSK, Modulationand demodulation, matlab Simulation.第一章 緒論1.1引言回顧通信的發(fā)展歷史，可以看到通信技術(shù)發(fā)展迅速。其原因除了在于生活實(shí)際、社會要求和新器件發(fā)明的推動之外，通信理論的指導(dǎo)也起著十分重要的作用。在20世紀(jì)40年代至50年代通信理論的發(fā)展出現(xiàn)了高峰，過濾和預(yù)測理論、香農(nóng)信息論、糾錯編碼理論、信號和噪聲理論、調(diào)制理論與信號檢測理論等使通信理論在有效性和可靠性等方面的研究出現(xiàn)了突破。當(dāng)今，

7、隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和集成電路制作工藝的發(fā)展，現(xiàn)代通信正朝著數(shù)字化方向發(fā)展，并融入計(jì)算機(jī)技術(shù)。當(dāng)前廣播電視領(lǐng)域的數(shù)字化革命也充分說明了這一點(diǎn)，而且它對人們的生活方式影響深遠(yuǎn)。移動通信發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了多種通信制式、多種通信標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)象。例如第二代移動通信就有GSM、窄帶CDMA等，第三代移動通信的主流標(biāo)準(zhǔn)有WCDMA、TD-SCDMA和CDMA-2000?，F(xiàn)有系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)眾多，新舊體制并存，而通信技術(shù)發(fā)展日新月異，新的制式、標(biāo)準(zhǔn)又不斷涌現(xiàn)，運(yùn)營商和移動用戶對多模式的需求不斷增長。目前第三代移動通通信系統(tǒng)已在我國實(shí)施。第三代移動通信的三種主流標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)方式都涉與到了QPSK，這就要求第三代移動

8、通信系統(tǒng)最好能與GSM移動通信系統(tǒng)，CDMA通信系統(tǒng)相兼容。這就需要研究兩種或兩種以上模式（或稱為多模式）的調(diào)制解調(diào)問題。如果仍像以前完全用硬件來實(shí)現(xiàn)移動通信的多模式調(diào)制解調(diào)，就會給用戶和運(yùn)營商帶來許多問題。一是就硬件方面來實(shí)現(xiàn)多模式調(diào)制解調(diào)難度很大，二是通信技術(shù)迅速的升級換代也給運(yùn)營商和用戶的投資帶來很大的損失，三是用硬件實(shí)現(xiàn)缺少靈活性。針對這種情況，可以在移動通信的調(diào)制解調(diào)中引入軟件無線電，充分利用軟件無線電技術(shù)帶來的系統(tǒng)靈活性和通用性，實(shí)現(xiàn)移動通信中多種調(diào)制方式的并存，以與實(shí)現(xiàn)與先前的移動通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方式的兼容，并對將來新的通信所采用的調(diào)制解調(diào)方式的引入和升級帶來非常大的便利，保護(hù)了

9、運(yùn)營商和用戶的利益。顯然,研究軟件無線電中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)對于現(xiàn)代移動通信技術(shù)發(fā)展的非常必要。本文所要做的具體的工作就是要實(shí)現(xiàn)軟件無線電中的QPSK的調(diào)制。1.2軟件無線電的起源與發(fā)展現(xiàn)狀軟件無線電技術(shù)起源于軍事通信應(yīng)用的需要。通過近20年的發(fā)展，無線通信在現(xiàn)代通信中被廣泛應(yīng)用于商業(yè)、軍事、民用等領(lǐng)域。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在軍事通信領(lǐng)域，各軍兵種之間采取了不同的通信體制，不同的頻段，波形以與調(diào)制方式，完成各自的通信任務(wù)。在民用通信領(lǐng)域，以第三代移動通信為例，有W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等標(biāo)準(zhǔn)，這些通信系統(tǒng)的組網(wǎng)能力、移動性、安全性等都大大提高了，但是各通信系統(tǒng)間還無法實(shí)現(xiàn)無

10、縫通信。隨著無線通信的迅速發(fā)展，新的通信系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，產(chǎn)品的生存周期縮短，開發(fā)費(fèi)用上升，使得原來以硬件為主的收發(fā)系統(tǒng)難以適應(yīng)這種快速升級換代的局面。面對這一問題，國際上進(jìn)行了大量的研究。大部分專家提出，把硬件收發(fā)系統(tǒng)作為基本平臺，A/D、D/A變換盡量靠近天線，將盡可能多的無線通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)，這就是所謂的軟件無線電。美國是軟件無線電技術(shù)的發(fā)源地。1992年5月，MITRE公司的Joe Mitola首次明確提出了軟件無線電的概念，其核心是將寬帶A/D和D/A盡可能靠近天線，用軟件實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線電功能。之后，開始實(shí)施Speakeasy計(jì)劃并成功研制出多功能，多頻段電臺。研究基于軟件無線電技

11、術(shù)的3G的多頻帶多模式手機(jī)與基站，同時融合軟件無線電技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，如麻省理工學(xué)院的Spectrum Wave計(jì)劃。歐洲的ACTS（Advanced Communications Technologies Services）計(jì)劃中，靈活的綜合無線電系統(tǒng)FIRST（Flexible Integrated Radio System Technology），未來無線電寬頻段多址系統(tǒng)FRWMAS（Future Radio Wideband Multiple Access System）和軟件無線電技術(shù)SORT（Software Radio Technology）都將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用在3G中。在日本

12、，從1998年底開始，電氣、信息和通信工程師協(xié)會（IEICE）成立了軟件無線電技術(shù)研究小組，推動軟件無線電技術(shù)的研發(fā)工作。在我國，對軟件無線電技術(shù)也相當(dāng)重視，在“九五”和“十五”預(yù)研項(xiàng)目和“863”計(jì)劃中都將軟件無線電技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。我國的大唐公司向國際電信聯(lián)盟（ITU）提交并被采納的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中也采用了軟件無線電技術(shù)。這標(biāo)志著我國對軟件無線電的研究應(yīng)用到了一個新階段。軟件無線電通過這些年的發(fā)展，迅速顯示出其重要意義，逐漸成為可提供高性能的地區(qū)性和全球性通信的第三代移動通信的基石。這一技術(shù)是無線通信技術(shù)從模擬到數(shù)字，從固定到移動這兩次革命后的第三次革命，也成為了無

13、線通信技術(shù)在21世紀(jì)初的發(fā)展方向。1.3軟件無線電的概念、組成結(jié)構(gòu)與其主要特點(diǎn)1.3.1軟件無線電的概念軟件無線電（Software Radio,簡稱SR），就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實(shí)現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以與信號的基帶處理等等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。其基本思想是以一個通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)各種功能。功能的軟件化勢必要求減少功能單一，靈活性差的硬件電路，尤其減少模擬環(huán)節(jié)。軟件無線電系統(tǒng)的無線電功能是通過軟件而不是固定的硬件電路來完成的。其核心思想

14、是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)?？傊?，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理(DSP)芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。“軟件無線電”的基本概念包含以下三層含義第一是“全數(shù)字化”，將寬帶A/D和D/A向射頻(RF)端靠近，不僅在基帶數(shù)字化，而且要在中頻甚至射頻數(shù)字化;不僅接收機(jī)數(shù)字化，發(fā)射機(jī)也要數(shù)字化。第二是把硬件作為無線電通信的基本平臺，而盡可能多的通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)，通信體制由軟件定義。第三，軟件無線電不僅僅是一種實(shí)現(xiàn)方法，更代表了一種新型的體制和開放的、可擴(kuò)展的、模塊化的軟硬件平臺體系結(jié)

15、構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多頻段、多模式、多業(yè)務(wù)、多個性。軟件定義的無線電（SDR）是指在目前技術(shù)條件下可實(shí)現(xiàn)的軟件無線電。也就是說通過使用可編程器件DSP和硬件支持來完成數(shù)字領(lǐng)域中的大部分信號處理,但是有些信號處理仍需借助模擬電路來完成，如RF,IF。軟件無線電與軟件定義的無線電的根本區(qū)別，是軟件無線電的最終目的就是要使通信系統(tǒng)擺脫硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的束縛，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對通用和穩(wěn)定的情況下，通過軟件實(shí)現(xiàn)各種功能。1.3.2軟件無線電的基本組成結(jié)構(gòu)軟件無線電主要由三部分組成，即用于射頻信號變換，位于A/D、D/A之前的射頻處理（含天線）前端；高速A/D、D/A；以與數(shù)字信號處理（DSP）單元三部分。圖1-1給出了軟件

16、無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。天線一般要覆蓋比較寬的頻帶；射頻前端主要完成模擬上/下變頻、濾波、功率放大等任務(wù)；A/D轉(zhuǎn)換器要有足夠的動態(tài)圍，較高的采樣率，12位以上的分辨率，以保證足夠的動態(tài)圍；DSP器件負(fù)責(zé)承擔(dān)A/D數(shù)字化后的處理任務(wù)。鑒于目前DSP器件水平的限制，A/D之后的數(shù)字信號可先經(jīng)由專用數(shù)字下變頻器處理，降低數(shù)據(jù)速率，變換到基帶，再由通用DSP進(jìn)行處理，或者采用多片DSP并行處理的方法。圖1-1 軟件無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)有三種：射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。它們的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示。前兩種結(jié)構(gòu)為理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)，但對A/D

17、轉(zhuǎn)換器的性能，DSP的處理速度等要求都比較高，現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)。目前最易實(shí)現(xiàn)的是寬帶中頻采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)，且具有良好的波形適應(yīng)性、信號帶寬靈活性和擴(kuò)展性。(a) 射頻低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)(b) 射頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)(c) 中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)圖1-2 軟件無線電三種基本結(jié)構(gòu)1.3.3軟件無線電的主要特點(diǎn)：(1) 靈活性：軟件無線電可通過增加軟件模塊，很容易增加新的功能；可以和其它任何電臺進(jìn)行通信，并可以作為其它電臺的射頻中繼；可以通過無線加載來改變軟件模塊或更新軟件。(2) 開放性：軟件無線電由于采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新和擴(kuò)展，軟件也可以隨需要而

18、不斷升級。軟件無線電不僅能和更新體制的電臺通信，還能與舊體制電臺兼容。1.4 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)(1) 開放式總線結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)開放性是軟件無線電的一個重要特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在軟件無線電所采用的開放式標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)上。在軟件無線電的研制開發(fā)過程中，必須逐步形成標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺，而標(biāo)準(zhǔn)化的總線則是構(gòu)筑上述平臺的奠基石?，F(xiàn)有的軟件無線電研究和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中一般采用雙總線結(jié)構(gòu)。(2) 寬帶段射頻前端和功率放大寬帶射頻前端要求有較寬的頻率圍。軟件無線電對這部分的要求包括：天線能覆蓋所有工作頻段；能用程序控制的方法對功能與參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。主要完成低噪聲放大、濾波、混頻、自動增益控制（AGC）以與輸出功率放大等功能。

19、(3) A/D部分軟件無線電對這部分要求很高，是軟件無線電關(guān)鍵部分之一。就性能而言，對其的要求主要包括采樣速率和采樣精度。采樣速率主要由信號帶寬決定。由于軟件無線電的接收信號帶寬較寬，而采樣速率一般要求大于信號帶寬的2.5倍，因此采樣速率較高；采樣精度在80dB的動態(tài)圍要求下不能低于12位。在無線通信中，信噪比（SNR）與無寄生動態(tài)圍（SFDR）等技術(shù)指標(biāo)也非常重要。(4) 數(shù)字下變頻部分?jǐn)?shù)字下變頻（DDC）是A/D變換后首先要完成的處理工作，是系統(tǒng)中數(shù)字處理運(yùn)算量最大的部分，也是最難完成的部分，包括數(shù)字下變頻、濾波和重采樣。對一個軟件無線電系統(tǒng)來說，若要進(jìn)行好的濾波等處理，一般認(rèn)為需要對每個

20、采樣點(diǎn)進(jìn)行100次操作。若系統(tǒng)帶寬為10MHz，則采樣率要大于25MHz，這樣就需要2500MIPS（百萬條指令每秒）的運(yùn)算能力，這是現(xiàn)有的單個DSP難以勝任的。因此，一般都將DDC這部分工作交給專用的可編程芯片完成。這樣既保留軟件無線電的優(yōu)點(diǎn)，又具有較高的可靠性。(5) 高速數(shù)字信號處理部分這部分工作由高速信號處理器（DSP）完成，這是軟件無線電的一個核心部件，也是一個主要瓶頸。主要任務(wù)是完成基帶處理、調(diào)制解調(diào)、比特流處理和編譯碼等工作。當(dāng)單片處理能力不足時，可采用多片DSP并行處理提高運(yùn)算能力。(6) 信令處理部分軟件無線電用于實(shí)現(xiàn)多?；ヂ?lián)時，需實(shí)現(xiàn)通用信令處理，而軟件無線電的任務(wù)是將通信

21、協(xié)議與軟件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化，所以有必要把現(xiàn)有的各種無線信令按軟件無線電的要求劃分成幾個標(biāo)準(zhǔn)的層次，開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的信令模塊，研究通用信令框架。1.5 軟件無線電的應(yīng)用前景軟件無線電具有極大的靈活性和適應(yīng)性，特別適合多頻段、多用戶、多模式兼容與互聯(lián)系統(tǒng)，它為解決各種不斷涌現(xiàn)出來的新的通信協(xié)議之間的兼容提供了一條有效途徑，并且一直廣泛應(yīng)用于無線電通信領(lǐng)域， 雖然其首先誕生于軍事上的應(yīng)用，但由于上述優(yōu)良特點(diǎn)，軟件無線電技術(shù)很快滲透到民用的無線移動通信領(lǐng)域，特別是在已走向商用的第三代移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用。1.5.1軟件無線電技術(shù)在軍事通信中的應(yīng)用軟件無線電技術(shù)引入軍事通信中具有十分重要意義，軟件無線電

22、的特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)能保證電臺的模塊化、通用化和系列化設(shè)計(jì)，有利于減少無線電設(shè)備與其機(jī)的品種，能降低電臺裝備和維護(hù)費(fèi)用。在軍用通信系統(tǒng)中，不同兵種和不同指揮級別使用的頻段、波形調(diào)制方式、語音編碼方法與算法都不同，軟件無線電特別適合軍用通信系統(tǒng)，它可以集成各種通信頻段，如HF、VHF、UHF、SHF等與其調(diào)制方式，軟件無線電的置通用可編程加密模塊也可方便地實(shí)現(xiàn)各種算法，實(shí)現(xiàn)各軍兵種協(xié)同通信。在無線發(fā)射電臺組成的網(wǎng)絡(luò)中起到“網(wǎng)關(guān)”或“網(wǎng)橋”的作用。用可編程實(shí)現(xiàn)的軟件無線電，能靈活配置信號波形，模擬各種正在服役和正在研制的電臺的工作方式。這種軟件無線電不僅能與已有各類電臺互通，而且還能溝通由不同電臺組成

23、的無線電網(wǎng)絡(luò)，完成頻段調(diào)制、語音編碼和算法的變換，起到類似于“網(wǎng)關(guān)”或“網(wǎng)橋”的作用。 軟件無線電還可以可提高野戰(zhàn)通信的抗毀能力。軟件無線電可擺脫傳統(tǒng)的基于點(diǎn)對點(diǎn)組網(wǎng)的限制，通過采用分組無線電等通信協(xié)議，可組成包括柵格網(wǎng)在面向任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線電網(wǎng)絡(luò)。電臺組網(wǎng)性能的增強(qiáng)，提高了無線電鏈路的溝通概率和頻譜資源的利用率，可使野戰(zhàn)通信的抗毀能力明顯改善。1.5.2軟件無線電技術(shù)在民用通信中的應(yīng)用軟件無線電技術(shù)在民用通信，特別是在第三代移動通信中起到了至關(guān)重要的作用。第三代移動通信中存在著多模操作，在ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會)確定的通用移動通信標(biāo)準(zhǔn)UMTS中包含了WCDMA和TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。這

24、樣在第三代移動通信發(fā)展過程中，存在著多模操作，在處理對稱和非對稱業(yè)務(wù)中存在著FDD和TDD兩種模式，第三代移動通信必須與GSM移動通信系統(tǒng)兼容。在這種情況下，如果仍像以前完全用硬件來構(gòu)造移動通信系統(tǒng)，就會給用戶和運(yùn)營商帶來許多問題。一方面用戶和運(yùn)營商不能靈活地利用各具優(yōu)點(diǎn)的多種通信標(biāo)準(zhǔn)制式，而另一方面，通信技術(shù)迅速的升級換代也給運(yùn)營商和用戶的投資帶來很大的損失。針對這種情況，可以在第三代移動通信發(fā)展中引入軟件無線電，充分利用軟件無線電技術(shù)帶來的系統(tǒng)靈活性和通用性，實(shí)現(xiàn)第三代移動通信中多種空中接口的并存，以與第三代與GSM系統(tǒng)的兼容，并對將來新的通信標(biāo)準(zhǔn)的引入和升級帶來非常大的便利，保護(hù)了運(yùn)營商

25、和用戶的利益。在第三代系統(tǒng)中引入軟件無線電技術(shù)，特別是利用軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)第三代多模多媒體終端14 15，對軟件無線電的相關(guān)技術(shù)提出了非常高的要求。目前技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)為采用軟件無線電技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對于第三代移動通信，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)程度上的軟件無線電。通常用通用CPU芯片和通用操作系統(tǒng)軟件方式解決無線通信和分布式信號處理問題。在移動通信系統(tǒng)中利用通用CPU和操作系統(tǒng)，來進(jìn)行無線通信的信號處理，并不能充分利用通用CPU和通用操作系統(tǒng)的性能。對于特定的移動通信信號處理，實(shí)時性是至關(guān)重要的，而利用現(xiàn)有通用CPU和通用操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)軟件無線電，估計(jì)將是非常困難的。軟件無線電實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)是處

26、理器速度的提高，然而在一定的處理速度限制下，需要有效地實(shí)時應(yīng)用處理軟件和實(shí)時操作系統(tǒng)支持，才能充分發(fā)揮處理器的性能。將面向數(shù)字信號處理的DSP芯片和通用CPU芯片結(jié)合，利用能夠充分滿足處理時間限制的實(shí)時操作系統(tǒng)，有效利用計(jì)算資源，是在第三代移動通信系統(tǒng)特別是在移動終端中實(shí)現(xiàn)軟件無線電的最好方式。在我國自行提出的TD-SCDMA第三代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，自豪地提出了利用軟件無線電技術(shù)完成設(shè)計(jì)的任務(wù)。軟件無線電技術(shù)是TD-SCDMA的核心技術(shù)之一?？梢栽谄脚_上實(shí)現(xiàn)3G的智能天線結(jié)構(gòu)、獲得DOA(信號到達(dá)方向估計(jì))等空間特征矢量；完成天線陣列的波形賦形；實(shí)現(xiàn)各種基帶數(shù)字信號處理：包括各類無線信令規(guī)則

27、與處理、信號流變換、調(diào)制解調(diào)算法、信道糾錯編碼、信源編碼、多用戶檢測等。1.6 國外軟件無線電的發(fā)展動態(tài)由于軟件無線電具有現(xiàn)有無線通信體制所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，它有著廣泛的應(yīng)用前景。因此在國外都成為了研究的熱點(diǎn)。1.6.1國外的發(fā)展動態(tài)基于軍事通信的需求，國外很早就開始了軟件無線電方面的研究。20世紀(jì)90年代初期，美國國防部高級研究項(xiàng)目署(DARPA)提出了多模式、多功能無線電網(wǎng)關(guān)研究計(jì)劃，目標(biāo)是解決美軍不同兵種、不同類型電臺之間相互通信、相互聯(lián)通的問題，即開發(fā)一種能實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)的、三軍統(tǒng)一的多波段多模式電臺(MBMMR，Multi-Band Multi-Mode Radio)。以此為目的的軍用

28、軟件無線電SPEAKeasy項(xiàng)目包括兩個階段(SPEAKeasy與SPEAKeasy)，要求在一個產(chǎn)品中包含200多種不同軍用電臺系列，把多個不同的單頻段電臺合并成一個2MHz至2GHz的、具有靈活的射頻接入能力的、軟件可編程的電臺。SPEAKeasy在1994年完成，當(dāng)年八月進(jìn)行了樣機(jī)演示。它在演示中實(shí)現(xiàn)了如下功能:可以分別與美軍現(xiàn)役的四種電臺進(jìn)行通信;同時和其中兩種跳頻電臺進(jìn)行通話;作為網(wǎng)橋連接兩種不同的通信網(wǎng)絡(luò);演示語音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸。SPEAKeasy項(xiàng)目從1995年開始，它的重點(diǎn)是解決實(shí)現(xiàn)中的問題，尤其是將SDR封裝到大小、重量和功耗合理的開放體結(jié)構(gòu)的商用硬件中去。在加州Ft.l

29、rwin的國家訓(xùn)練中心，SPEAKeasy電臺在TaskForceXXI演習(xí)中實(shí)現(xiàn)了AM、FM、VHFSINCGARS、UHFHAVEQUICK、UHFSATCOM、GPS等波形兼容。實(shí)驗(yàn)單元僅重80磅，基于商用現(xiàn)貨(COTS)技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場保障。目前該技術(shù)正被應(yīng)用于JTRS、地空數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器(GADM)和其他項(xiàng)目。聯(lián)合作戰(zhàn)信息終端(JCIT)是一個由美軍海軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的具有可編程調(diào)制解調(diào)的多波段、多功能終端。它作為能使用的產(chǎn)品投入研制，能夠與很多從短波到2.SGH乙的射頻波段軍用電臺實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。兼容的調(diào)制各式包括AM、FM、SSB、BPSK、QPSK、MSK、CPFSK、FH、GPS

30、、COMA等，數(shù)據(jù)率圍從50b/s到5Mb/s。I/O接口包括RS-232、RS-422、MIL-STD-1553、Ethernet等等。截至2000年6月，原型樣機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多技術(shù)指標(biāo)。FIRST(FlexibleIntegratedRadioSystemsTechnology)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)和歐共體高級通信技術(shù)與服務(wù)項(xiàng)目(AdvancedCommunicationsTechnology and Services，ACTS)為促進(jìn)第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)的研制而提出的多個項(xiàng)目之一，其目的在于深入研究IMT-2000中提出的軟件無線電技術(shù)。它的前身可以追溯到英國B班STOL大學(xué)19

31、89年開始的800/900MHz多模無線電。FIRST項(xiàng)目1998年完成，建成了4個樣機(jī)(demonstrator)，每一個都可配置為基站(base)或移動臺(mobile)。發(fā)射機(jī)采用了直接變換(基帶到射頻)技術(shù)，接收機(jī)則采用了超外差的雙中頻結(jié)構(gòu)。工作頻率圍1710MHz-2200MHz，調(diào)制模式可以兼容DCS1800、UMTS(16QAM andCDMA)、DECT、AMPS、D-AMOS、TACS、CT2。最大信道帶寬1.5MHz，A/D采樣精度為12bit。FIRST電臺能夠提供多媒體服務(wù)，特別是實(shí)時視頻服務(wù)，以與internet接入服務(wù)。該項(xiàng)目研究了一些關(guān)鍵技術(shù)問題如空中接口、復(fù)用、

32、高性能自適應(yīng)編碼(如turbo碼)、DSP算法倉庫等，還對比特率與空中接口自適應(yīng)、基于網(wǎng)絡(luò)的軟件下載、多媒體服務(wù)提供等方面進(jìn)行了探討Spectrum Ware項(xiàng)目是由麻省理工學(xué)院(MIT)計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于通用處理器的軟件無線電系統(tǒng)。它以通用計(jì)算機(jī)為處理平臺，具有最大的靈活性。由于在結(jié)構(gòu)上與基于通用計(jì)算機(jī)的“虛擬儀器”相似，又被稱為“虛擬無線電”(VirtualRadio)。Spectrum Ware的處理平臺為采用Linux操作系統(tǒng)的DECAlpha工作站，寬帶中頻采樣數(shù)據(jù)通過PCI插卡進(jìn)入系統(tǒng)，大部分的后續(xù)數(shù)據(jù)處理由四片INTELMMX200完成。該項(xiàng)目目前還無法用于移動通信，因?yàn)?/p>

33、處理能力還不能滿足實(shí)時信號處理要求。近十年來軟件無線電技術(shù)的研究引起了全球圍的興趣。IEEE通信雜志1995年5月出了一期?？蔀檐浖o線電發(fā)展過程的中的里程碑。1996年3月美國政府邀請工業(yè)部門組建了模塊化多功能信息傳輸系統(tǒng)(MMITS)論壇，借以促進(jìn)政府與工業(yè)部門之間的對話，重點(diǎn)討論民用產(chǎn)品、民用業(yè)務(wù)與軍用無線通信裝備。該論壇1999年更名為SDR論壇。歐共體(EC，European Community)1997年在布魯塞爾召開了第一次歐洲軟件無線電學(xué)術(shù)研討會。第一次亞洲軟件無線電學(xué)術(shù)研討會則于1998年4月在日本召開，同年6月在希臘召開了第一次軟件無線電國際學(xué)術(shù)研討會。1999年2月的

34、IEEE通信雜志以軟件無線電全球化為主題，刊載了關(guān)于軟件無線電特性的系列文章。同年4月的IEEEJSAC也刊載了軟件無線電的系列文章。1.6.2 國的發(fā)展動態(tài)我國對軟件無線電研究起步較晚，但卻引起了政府部門與各高校、研究機(jī)構(gòu)相當(dāng)?shù)闹匾暋?63-中國高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃中就有軟件無線電研究項(xiàng)目，由清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)。他們對軟件無線電體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了基于交換網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺。中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制了采用軟件無線電技術(shù)的空基遙科學(xué)指令接收機(jī)，調(diào)試時在不改變硬件的前提下完成了對BPSK與QPSK兩種調(diào)制方式的解調(diào)。還有其他一些研究機(jī)構(gòu)提出在衛(wèi)星遙控系統(tǒng)、靶場移

35、動終端、GPS等場合采用軟件無線電技術(shù);甚至有人預(yù)言軟件無線電系統(tǒng)將成為遙測的“萬能工具”。目前，在我國第三代移動通信已全面鋪開，用戶可以通過手機(jī)終端、筆記本終端無線高速上網(wǎng)，收看電視節(jié)目。而且與GSM網(wǎng)絡(luò)完美兼容，不能不說是與軟件無線電技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)成熟有著緊密的聯(lián)系。第二章 軟件無線電中的調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究本章主要討論軟件無線電中的數(shù)字調(diào)制和解調(diào)的原理。軟件無線電具有靈活性、可擴(kuò)展性等主要特點(diǎn)，這主要是因?yàn)檐浖o線電的所有功能都是用軟件來實(shí)現(xiàn)的，通過軟件的增加、修改或升級就可以實(shí)現(xiàn)新的功能?？梢哉f，功能的軟件化是軟件無線電的最大優(yōu)勢之一。同樣，我們這章所要討論的軟件無線電中的調(diào)制和解調(diào)最

36、終也要通過軟件來實(shí)現(xiàn)。2.1軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件無線電的核心思想在于使寬帶A/D與D/A轉(zhuǎn)換器件盡可能靠近天線，將模擬信號盡早數(shù)字化，然后采用高速數(shù)字信號處理芯片作后續(xù)處理，通過軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。一個軟件無線電系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成:包括天線在的射頻處理模塊、寬帶A/D與D/A轉(zhuǎn)換器件、高速數(shù)字信號處理模塊。理想的軟件無線電如下圖2一1所示圖2-1 理想軟件無線電由于天線與ADC器件帶寬等因素限制，上述的理想軟件無線電 ( SWR ) 目前無法實(shí)現(xiàn)，工程上實(shí)現(xiàn)的稱為軟件定義的無線電(Software defined radio )。在一個軟件無線電( SDR )系統(tǒng)中，A/D器件的

37、位置非常重要，稱為數(shù)字接入點(diǎn)，它表明了數(shù)字化處理的起點(diǎn)。軟件無線電要求系統(tǒng)的全部可編程性，包括可編程的射頻(RF)頻帶、信道接入模式以與信道調(diào)制等等，這是它與多模式無線電等的區(qū)別所在。J.Mitola 從信號流的角度分析了軟件無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括以下幾個部分:實(shí)時信道處理流實(shí)時信道處理實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)基本信息流處理，包括射頻子系統(tǒng)、寬帶A/D與D/A變換、信道分離、調(diào)制解調(diào)、安全處理(加/解密)等等。環(huán)境管理流環(huán)境管理包括無線電環(huán)境識別與高級控制，屬于近實(shí)時信息流。它可以從頻域、時域、空域多個角度描述無線電環(huán)境，完成信道識別、環(huán)境參數(shù)如信道干擾電平估值等等。環(huán)境管理采用模塊化操作，如快速傅立

38、葉變換(FFT)、小波變換、波束成形矩陣算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取信道參數(shù)后控制實(shí)時信道處理。在線自適應(yīng)在線自適應(yīng)功能的目的是根據(jù)無線電環(huán)境實(shí)現(xiàn)信噪比(SNR)/誤比特率(BER)優(yōu)化，頻帶與模式選擇優(yōu)化等，提供高的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。離線軟件支持離線工具包括實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析、增強(qiáng)信號處理等的軟件平臺。軟件無線電憑借離線軟件 (軟件工廠) 而支持業(yè)務(wù)增強(qiáng)。它允許定義增強(qiáng)的業(yè)務(wù)如改進(jìn)的波束成形、均衡器、網(wǎng)絡(luò)解碼器等等。這些改進(jìn)可以納入到樣機(jī)的信道處理流中，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置試驗(yàn)，圖2-2 軟件無線電信號流排除算法中的錯誤，最后確定改進(jìn)的價值 (增加的用戶密度) 以與耗費(fèi)的資源(I/O帶寬、時間延遲、處理容量等

39、)。基于軟件的增強(qiáng)可以與開放體系結(jié)構(gòu)軟件接口標(biāo)準(zhǔn)一致，于是可以通過空中接口分發(fā)到其它軟件無線電節(jié)點(diǎn)。這樣，軟件無線電通信網(wǎng)就可以提供新的業(yè)務(wù)。2.2 軟件無線電中的調(diào)制實(shí)現(xiàn)的研究連續(xù)波數(shù)字調(diào)制是以正弦信號(可以是高頻正弦信號，也可以是音頻正弦信號)為載波，調(diào)制信號為數(shù)字信號的調(diào)制方式。數(shù)字信號的載波傳輸，就是指以正弦信號為載波傳輸或運(yùn)載數(shù)字信息的信息傳輸方式。數(shù)字信號可以看成是模擬信號的特殊情況，在這種意義上可以把連續(xù)波數(shù)字調(diào)制看成是連續(xù)波模擬調(diào)制的特殊情況。數(shù)字調(diào)制的基本類型主要有振幅鍵控(ASK)，頻移鍵控(FKS)和相移鍵控(PSK)等等。如果按照常規(guī)的方法，產(chǎn)生每一種信號就需要一個硬件

40、電路，甚至一個模塊，那么要使一部通信機(jī)中產(chǎn)生幾種、十幾種通信信號，其電路就會極其復(fù)雜，體積重量都會很大。如果要增加一種新的調(diào)制方式就非常困難。軟件無線電中的各種調(diào)制信號是以一個通用的數(shù)字信號處理平臺為支撐，利用各種軟件來產(chǎn)生的。每一種調(diào)制算法都做成軟件模塊形式，要產(chǎn)生某種調(diào)制信號只需調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。由于各種調(diào)制用軟件來實(shí)現(xiàn)，因此在軟件無線電中，可以不斷地更新調(diào)制模塊的軟件來適應(yīng)不斷發(fā)展的調(diào)制體制，具有相當(dāng)大的靈活性和開放性。軟件無線電的各種調(diào)制完全可以基于數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)代通信中，通信信號的種類很多，下面僅就PSK信號的實(shí)現(xiàn)方法加以討論。從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調(diào)

41、制的方法加以實(shí)現(xiàn)。具體的方法是把信號分成同相分量(I路)和正交分量Q(路)，然后再分別調(diào)制。可以寫出它的時域表達(dá)式。S(t)=I(t)cos(ct)+Q(t)sin(ct) （2-1）其中，c為載波頻率。調(diào)制信號的信息包含在I(t)和Q(t)。由于各種調(diào)制信號都是數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，因此，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)時要對式(2一1)進(jìn)行數(shù)字化。S(n)=I(n)cos (nc/s)+Q(n)sin(nc/s) （2-2）s為采樣頻率的角頻率。在對調(diào)制信號和載波頻率進(jìn)行數(shù)字化時，其采樣頻率可能不一樣。我們可以采用多相濾波器來提高數(shù)據(jù)源的采樣速率，使得調(diào)制信號的采樣速率和載波的采樣速率一致。下面就幾種典型的數(shù)字調(diào)制方

42、式作一介紹。2.2.1軟件無線電中的ASK調(diào)制實(shí)現(xiàn)的研究一個二進(jìn)制振幅鍵控信號可以表示為一個單極性脈沖與一個正弦波相乘，即 （2-3）式（2-3）中，g(t)是持續(xù)時間為T的矩形脈沖，an為信源給出的二進(jìn)制符號0,1。如果令 （2-4）那么 （2-5）因此，要實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制，只要令 I(t)=0 （2-6） Q(t)=m(t) （2-7）就可以實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制。2.2.2軟件無線電中的FSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)的研究2FSK信號是符號O對應(yīng)載波角頻率為，符號1對應(yīng)載波角頻率為的己調(diào)波形。它可以用一個矩形脈沖對一個載波進(jìn)行調(diào)頻實(shí)現(xiàn)，其表達(dá)式為 （2-8）式中，的取值為0，1，g(t)為矩形脈沖,為an的反碼，

43、T為碼元周期。因此，只要把調(diào)制數(shù)據(jù)序列形成矩形脈沖，并把2FSK看成兩個ASK信號相加就可以了，并令 （2-9） （2-10）然后再利用式(26)，式(27)就可以實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制。2.2.3軟件無線電中的PSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)的研究2PSK方式是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數(shù)字調(diào)制方式。2PSK的信號形式一般表示為: （2-11）式中，的取值為-1，+1，即發(fā)送二進(jìn)制符號0時取1，發(fā)送二進(jìn)制符號1時取-1。這種調(diào)制方式的正交實(shí)現(xiàn)與2ASK信號十分類似。在用2PSK調(diào)制方式時由于發(fā)送端以某個相位作為基準(zhǔn)，因而在接收端也必須有這樣一個固定的基準(zhǔn)相位作參考。如果參考相位發(fā)生變化，則接收端恢復(fù)的信

44、息就會出錯。即存在“倒”現(xiàn)象。為此在實(shí)際中一般采用養(yǎng)分相移鍵控(2DPSK)。2DPSK是利用前后相鄰碼元的相對載波相位去表示數(shù)字信息的一種表示方法。2DPSK和2PSK只是對信源數(shù)據(jù)的編碼不同。在實(shí)現(xiàn)2DPSK調(diào)制時，只須把2PSK碼序列變成2DPSK碼，其他的操作和2PSK完全一樣。假設(shè)在2PSK調(diào)制時，數(shù)字信息0用相位0，數(shù)字信息1用相位表示，在2DPSK調(diào)制時數(shù)字信息0用相位變化0,數(shù)字信息1用相位變化表示，則2PSK和2DPSK調(diào)制舉例如下。數(shù)字信息: 0 0 1 1 1 0 0 1 0 12PSK相位: 0 0 0 0 0 2DPSK相位: 0 0 0 0 0 在實(shí)現(xiàn)2DPSK調(diào)制

45、時，只要先把原信息序列(絕對碼)變換成相對碼，然后進(jìn)行2PSK調(diào)制就可以了。相對碼就是按相鄰符號不變表示原信息0，相鄰符號改變表示原信息1的規(guī)律變換成的。上述信息碼的相對碼為: 2DPSK編碼 0 0 1 0 1 1 1 0 0 12.3 軟件無線電中的解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究為了便于信號發(fā)射，提高信道利用率、發(fā)射功率以與改善通信質(zhì)量，人們研制出各種通信信號的調(diào)制樣式，相對于調(diào)制的逆過程解調(diào)也因調(diào)制樣式的不同而不一樣，解調(diào)方法大致有相干解調(diào)和非相干解調(diào)二類。一般而言相干解調(diào)性能比非相干解調(diào)好，在某些場合利用非相干解調(diào)的主要原因是其解調(diào)電路簡單，硬件成本低。在解調(diào)需要用硬件電路實(shí)現(xiàn)的時代，當(dāng)然有其存在的理

46、由，但其不足也是顯而易見的，如非相干解調(diào)過程常存在的“門限效應(yīng)”。軟件無線電中由于大部分功能用用軟件實(shí)現(xiàn)，硬件的總體成本降低。在軟件無線電中解調(diào)一般采用數(shù)字相干解調(diào)的方法。數(shù)字相干解調(diào)從原理上講與模擬相干解調(diào)法一樣。常見用于模擬解調(diào)電路的一般相干解調(diào)法（指用一個同頻同相的本地載波去相干解調(diào)），當(dāng)同頻同相不滿足時，解調(diào)就會嚴(yán)重失真。例如，在移動通信中，接收到的信號受到嚴(yán)重衰落時，提取出來的載波質(zhì)量往往達(dá)不到要求，特別是在多譜勒效應(yīng)等引起的頻偏環(huán)境下更是如此。由于正交解調(diào)法在一定程度上能克服以上這些弱點(diǎn)，因此，軟件無線電的解調(diào)一般采用數(shù)字正交解調(diào)法。一般調(diào)制都能用正交調(diào)制法進(jìn)行，也就是說，正交解調(diào)

47、法從理論上說可以對幾乎所有的調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào)。盡管調(diào)制樣式多種多樣，但實(shí)質(zhì)上調(diào)制不外乎用調(diào)制信號去控制載波的一個（或幾個）參數(shù)，使這個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程。載波可以是正弦波或脈沖序列，以正弦型信號作為載波的調(diào)制叫做連續(xù)波調(diào)制。對于連續(xù)波調(diào)制，已調(diào)信號的數(shù)字表達(dá)式為： （212）調(diào)制信號可以分別“寄生”在已調(diào)制信號的振幅A(n)、頻率和相位中，相應(yīng)的調(diào)制就是調(diào)幅、調(diào)頻與調(diào)相這三大類熟知的調(diào)制方式。由于頻率與相位有著一定的關(guān)系，為便于分析，可將式（212）改寫為 （2-13）式中，表示載波角頻率。所以，（2-14）式中，（215）（216）這就是我們所希望獲得的同相和正交兩個分量，根

48、據(jù)、，就可以對各種調(diào)制樣式進(jìn)行解調(diào)。下面就幾種典型的數(shù)字解調(diào)方式作一介紹。2.3.1軟件無線電中的ASK解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究ASK信號表達(dá)式： （217）式中，為輸入碼元，且0,1；是幅度為1，寬度為碼元傳輸速率倒數(shù)的矩形脈沖門函數(shù)。ASK的解調(diào)，應(yīng)先對信號進(jìn)行正交分解，得同相和正交分量：同相分量為: （218）正交分量為: （219）對同相分量與正交分量平方之和開方： （220）計(jì)算出后，再對進(jìn)行抽樣判決，就可恢復(fù)出調(diào)制的碼元信號。2.3.2軟件無線電中的FSK解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究信號表達(dá)式為: （221）式中，為載波角頻率間隔；為輸入的碼元，1，1。FSK解調(diào)同樣要先對信號進(jìn)行正交分解，得同相和正交分

49、量：同相分量為： （222）正交分量為： （223）瞬時頻率f(n)可以表示為： （224）在計(jì)算出瞬時頻率f(n)后，對f(n)經(jīng)抽樣門限判決，即可恢復(fù)出傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。2.3.3 軟件無線電中的PSK解調(diào)實(shí)現(xiàn)的研究信號表達(dá)式：（225）式中，PSK解調(diào)：對信號進(jìn)行正交分解后，得同相和正交分量：同相分量為：（226）正交分量為：（227）瞬時相位可以表示為：（228）在計(jì)算出瞬時相位后，對抽樣判決，即可恢復(fù)數(shù)據(jù)。第三章 四相相移鍵控（QPSK）技術(shù)3.1 多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（MPSK）多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制也稱多元調(diào)相或多相制。它利用具有多個相位狀態(tài)的正弦波來代表多組二進(jìn)制信息碼元，即用載波的一個相

50、位對應(yīng)于一組二進(jìn)制信息碼元。如果載波有個相位，它可以代表k位二進(jìn)制碼元的不同碼組。多進(jìn)制相移鍵控也分為多進(jìn)制絕對相移鍵控和多進(jìn)制相對（差分）相移鍵控。在MPSK信號中，載波相位可取M個可能值，（n=0,1,2,M-1）。因此，MPSK信號可表示為假定載波頻率是基帶數(shù)字信號速率的整數(shù)倍，則上式可改寫為上式表明，MPSK信號可等效為兩個正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)幅所得已調(diào)波之和。因此，其帶寬與MASK信號帶寬一樣，帶寬的產(chǎn)生也可按類似于產(chǎn)生雙邊帶正交調(diào)制信號的方式實(shí)現(xiàn)。3.2四相相移鍵控（QPSK）簡介QPSK即為Quadrature Phase Shift Keying,正交相移鍵控，或Quat

51、ernary Phase Shift Keying,四相相移鍵控，有時也稱為4PSK。它是多相相移鍵控(MPSK)中常用的一種，是目前數(shù)字微波或衛(wèi)星數(shù)字通信中最常用的一種載波傳輸方式。四相相移鍵控（QPSK）是一種性能優(yōu)良，應(yīng)用十分廣泛的數(shù)字調(diào)制方式，它的頻率利用率高，是二進(jìn)相移鍵控（BPSK）的2倍，采用相干檢測時其誤碼性能與BPSK一樣。它可以看成由兩個BPSK調(diào)制器構(gòu)成，這在上一節(jié)中我們已經(jīng)講述過了。輸入的串行二進(jìn)制序列經(jīng)過串并變換分I路和Q路，分成兩路速率減半的序列，然后經(jīng)過成形濾波后分別與cost和sint載波相乘，最后把I路和Q路兩路信號相加后即得到QPSK信號。QPSK調(diào)制原理框

52、圖如圖3-1所示：圖3-1 QPSK調(diào)制原理框圖可以看出，QPSK是由兩路BPSK信號構(gòu)成，且兩路信號相互正交的，圖3-2 QPSK調(diào)制信號功率譜密度（單邊）圖3-3 QPSK相位轉(zhuǎn)移圖圖3-4 QPSK誤碼率性能即相位差相差90°，兩路BPSK信號相加，即得到QPSK信號。由圖3-1得到的QPSK信號是一個抑制載波的單邊帶信號，即在已調(diào)射頻信號中不存在載波分量和下邊帶分量。其功率譜、信號相位轉(zhuǎn)移圖與誤碼率性能分別如圖3-2、圖3-3和圖3-4所示。與BPSK相比，QPSK有著相近（幾乎一樣）的誤碼率性能，從圖中可以看到它們的誤碼率曲線基本重合，而QPSK的頻譜效率卻高了一倍，因此Q

53、PSK在光纖、衛(wèi)星、微波等通信系統(tǒng)中被廣泛采用。不過這種調(diào)制方式卻不適合用在移動通信系統(tǒng)中，其原因是：1.帶外輻射強(qiáng)：窄帶移動通信系統(tǒng)對射頻信號的帶外輻射都有嚴(yán)格的要求，專業(yè)模擬移動通信系統(tǒng)一般要求的鄰道功率為不大于70dBc，如CPS標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)；數(shù)字系統(tǒng)一般為60dBc，如TETRA系統(tǒng)。而從圖中我們可以看到，QPSK信號頻譜的滾降速度很慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。2.不能使用非線性放大器：普通QPSK信號中載波的相位變化可以是0度、90度、180度和270度中的任意一個。這樣的信號在經(jīng)過帶通濾波器之后其包絡(luò)就會出現(xiàn)起伏，特別是在相位產(chǎn)生180度變化的地方，包絡(luò)可以降到0，而當(dāng)一個有著非恒定包絡(luò)的帶限

54、線性調(diào)制載波經(jīng)過非線性放大后，其原已被濾掉或原本并不存在的旁瓣就會被恢復(fù)，同時還會產(chǎn)生同相、正交信號間的帶串?dāng)_。這將引起嚴(yán)重的鄰道和同信道干擾。經(jīng)過非線性放大后系統(tǒng)的誤碼性能也會下降。這樣一來，通過線性調(diào)制所獲得的頻譜效率在經(jīng)過非線性放大后就完全喪失了。3.不能使用非相干解調(diào)：普通的QPSK是依靠載波的絕對相位來傳遞信息的，只能用相干檢測來進(jìn)行解調(diào)，而不能使用非相干檢測（差分或鑒頻器）。這樣系統(tǒng)難以快速獲得同步，抗快衰落能力不強(qiáng)，同時系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，成本高。為了解決這些問題，人們采用了基帶濾波、相位交錯、差分編碼等方法，由貝爾實(shí)驗(yàn)室的貝克爾（Baker）于1962年首先提出了/4-QPSK這種調(diào)

55、制方式。最初提出這種方式的目的是為了在線上傳送數(shù)據(jù)，后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)它的性能可以滿足數(shù)字移動通信系統(tǒng)對調(diào)制技術(shù)的要求. 這種經(jīng)過改進(jìn)的調(diào)制方式將QPSK中載波相位的變化限制到了±/4和±3/4。由于載波中不存在±的相位變化，因此大大減少了包絡(luò)波動，也降低了系統(tǒng)性能對信道非線性的敏感度。加入平方根升余弦（RRC）基帶濾波器可以大大加快調(diào)制信號的帶外滾降速度，能夠滿足移動通信系統(tǒng)對帶外輻射的要求。采用差分編碼，使系統(tǒng)既可以使用相干檢測也可以使用非相干檢測來進(jìn)行解調(diào)，一方面簡化了設(shè)備，另一方面也使系統(tǒng)具備了快速獲得同步、抗快衰落、抗多普勒頻移的能力。為了減少/4-QPSK在快衰落移動信道中時延擴(kuò)散對系統(tǒng)性能的影響，采用這種調(diào)制方式的數(shù)字移動通信系統(tǒng)都使用突發(fā)模式如TDMA、FHMA來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。雖然都是/4-QPSK，但各個系統(tǒng)所規(guī)定的具體參數(shù)如信道間隔、傳輸速率等卻不盡一樣，因此性能也都略有差異。我國數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)體制國家電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體制A中所采用的/4-QPSK是差分編碼、/4相移的QPSK，即/4-DQPSK。3.3 QPSK的發(fā)展與其特點(diǎn)根據(jù)被調(diào)參數(shù)的不同，數(shù)字調(diào)制方式主要有振幅調(diào)制(ASK)、頻率調(diào)制(FSK)和相位調(diào)制(PSK)三種。振幅調(diào)制是最早應(yīng)