实验一 四相移相键控

实验一四相移相键控（QPSK）调制及解调实验一、实验目的1、了解QPSK调制解调原理及特性。2、了解载波在QPSK相干及非相干时的解调特性。二、实验内容1、观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。2、观察IQ调制解调过程中各信号变化。3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。三、基本原理1、QPSK调制原理QPSK又叫四相绝对相移调制，它是一种正交相移键控。QPSK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两个比特信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组，然后用四种不同的载波相位来表征。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表1-1所示，矢量关系如图1-1所示。图1-1（a）表示A方式时QPSK信号矢量图，图1-1（b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A方式中：45°、135°、225°、315°，则数据kI、kQ通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值±2/2；B方式中：0°、90°、180°、270°，则数据kI、kQ通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值±1、0。表1-1双比特码元与载波相位关系双比特码元载波相位aBA方式B方式0100225°315°0°90°101145°135°180°270°(1,1)(0,1)(0,0)(1,0)45°(1,0)(1,1)(0,1)(0,0)0°参考相位参考相位(a)(b)图1-1QPSK信号的矢量图下面以A方式的QPSK为例说明QPSK信号相位的合成方法。串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行序列，然后通过基带成形得到的双极性序列（从D/A转换器输出，幅度为±2/2）。设两个双极性序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图1-2中虚线矢量，将两路输出叠加，即得到QPSK调制信号，其相位编码关系如表1-2所示。a(1)b(1)b(0)a(0)(-1,1)(1,-1)(-1,-1)(1,1)图1-2矢量图表1-2QPSK信号相位编码逻辑关系a1－1－11b11－1－1a路平衡调制器输出b路平衡调制器输出合成相位0°90°45°180°90°135°180°270°225°0°270°315°用调相法产生QPSK调制器框图如图1-3所示。串并变换电平产生电平产生载波发生器移相90o二进制信息QPSK信号I(t)Q(t)cosAtsinAt图1-3QPSK调制器框图01010011011100+1-1+1-100010100111110I(t)Q(t)图1-4二进制码经串并变换后码型由图1-3可以看到，QPSK的调制器可以看作是由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串并变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号I（t）和Q（t），然后对cosAt和sinAt进行调制，相加后即可得到QPSK信号。经过串并变换后形成的两个支路如图1-4所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即I支路；另外一路称为正交支路，即Q支路。2、QPSK解调原理由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图1-5所示。并串变换载波发生器移相90o二进制信息QPSK信号整形判决整形判决位定时恢复图1-5QPSK解调原理框图四、实验原理1、实验模块简介本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块及PSK载波恢复模块。（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。2、实验框图及电路说明a、QPSK调制实验PN31NRZIN串/并转换波形选择地址生成器乘法器（MC1496）加法器（运放）波形选择地址生成器乘法器（MC1496）21.4M载波反相D/A转换器（DAC0832）EEPROM（AT2864）D/A转换器（DAC0832）EEPROM（AT2864）数字信源BSNRZ-INRZ-QQ-OUTI-OUTI-INQ-IN输出IQSINCOS输出QPSK信号二分频二分频图1-6QPSK调制实验框图QPSK调制的实验框图如图1-6所示，基带成形模块产生的PN码（由PN31端输出，码型为111100010011010）输入到串并转换电路中（由NRZIN端输入）进行串并转换，成为IQ两路基带信号，输出的IQ两路数字基带信号（观测点为NRZ-I，NRZ-Q），经波形预取电路判断，取出相应的模拟基带波形数据，经D/A转换后输出（观测点为I-OUT，Q-OUT，分别于NRZ-I，NRZ-Q波形反相）。IQ两路模拟基带信号送入IQ调制解调模块中的IQ调制电路分别进行PSK调制，然后相加形成QPSK调制信号，经放大后输出。QPSK已调信号载波为10.7MHz，是由21.4MHz本振源经正交分频产生。b、QPSK解调实验IQ调制基带成型乘法器（MC1496）乘法器（MC1496）反相二分频二分频输入输入SINCOS低通滤波低通滤波QPSK信号整形整形抽样判决位同步恢复并/串变换抽样判决Q-INQ-OUTI-OUTI-INBSNRZ载波IQ图1-7QPSK解调实验框图QPSK解调实验原理框图如图1-7所示，QPSK已调信号送入IQ调制解调模块中的IQ解调电路分别进行PSK相干解调，相干载波由调制端的本振源经正交分频产生。解调输出的IQ两路模拟基带信号送入码元再生模块进行抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换后输出。抽样判决前IQ信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。位同步信号恢复由码元再生模块中的数字锁相环完成。IQ解调电路的载波也可由PSK载波恢复模块上的本振源提供，此时解调变为非相干解调，从解调输出的模拟基带信号可以看出信号失真很大，无法进行码元再生。五、实验步骤1、在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和PSK载波恢复模块。2、QPSK调制实验。a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明基带模块：PN31基带模块：NRZIN提供PN31伪随机序列基带模块：I-OUTIQ模块：I-IN串并变换后的I路信号输入基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN串并变换后的Q路信号输入*检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按基带成形模块上“选择”键，选择QPSK模式（QPSK指示灯亮）。c、用示波器观察基带模块上“I-OUT”及“Q-OUT”测试点，并分别与“NRZIN”测IQ解调码元再生试点的信号进行对比，观察串并转换情况。d、用频谱分析仪观测调制后QPSK信号频谱（可用数字示波器上FFT功能替代观测），观测点为IQ模块调制单元的“输出”端（TP4）3、QPSK相干解调实验。a、关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：源端口目的端口IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2）IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3）IQ模块(载波单元)：输出（J5）IQ模块(载波单元)：输入（J4）*检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、示波器探头分别接IQ解调单元的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调波形。c、对比观测解调前后的I路信号示波器探头分别接IQ模块的“I-OUT”端及的“I-IN”端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致可能是载波相位不对，可按下IQ模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。）d、对比观测解调前后的Q路信号示波器探头分别接IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致可能是载波相位不对，可将按IQ模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。）4、QPSK再生信号观察a、关闭实验箱总电源，保持步骤2、3中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明IQ模块：I-OUT再生模块：I-IN将解调后的I路信号进行抽样判决IQ模块：Q-OUT再生模块：Q-IN将解调后的Q路信号进行抽样判决*检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按再生模块上“选择”键，选择QPSK模式（QPSK指示灯亮）。c、对比观测原始NRZ信号与再生后的NRZ信号示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZIN”端，观察两路码元是否一致（注意解调出的NRZ码与输入的NRZ码存在延迟）。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤2重新实验。5、观测载波非相干时信号波形断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与PSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时载波不同步。从步骤2开始再次观察各信号。六、思考题1、为什么相干解调时解调输出的基带信号是两电平的，而非相干解调时是多电平的？2、实验中，如果I、Q支路接反，即I接到Q，Q接到I，会有正确结果吗？为什么？