实验九-QPSK调制与解调实验报告

-1-实验九QPSK/OQPSK调制与解调实验一、实验目的1、了解用CPLD进行电路设计的基本方法。2、掌握QPSK调制与解调的原理。3、通过本实验掌握星座图的概念、星座图的产生原理及方法，了解星座图的作用及工程上的作用。二、实验内容1、观察QPSK调制的各种波形。2、观察QPSK解调的各种波形。三、实验器材1、信号源模块一块2、⑤号模块一块3、20M双踪示波器一台4、连接线若干四、实验原理（一）QPSK调制解调原理1、QPSK调制QPSK信号的产生方法可分为调相法和相位选择法。用调相法产生QPSK信号的组成方框图如图12-1（a）所示。图中，串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。设两个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12-1（b）中虚线矢量。将两路输出叠加，即得如图12-1（b）中实线所示的四相移相信号，其相位编码逻辑关系如表12-1所示。串/并变换平衡调制器相加载波振荡平衡调制器输入ab输出cosctsinct移相2（a）a(0)b(0)b(1)a(1)(0,1)(1,0)(0,0)(1,1)（b）图12-1QPSK调制表12-1QPSK信号相位编码逻辑关系A1001B1100a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°在本实验系统中EPM3032ATC44-10型号的CPLD用于将信号源产生的伪随机码进行串/并变换。串/并变换器将输入的二进制序列分为两个并行的双极性序列110010001111010和-2-111101011001000。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，然后将两路输出叠加，即得到QPSK调制信号。2、QPSK解调定时定时相乘器低通滤波器并/串变换相乘器抽样判决抽样判决相干载波低通滤波器数据输出cosctsinct接收信号ab移相2图12-2QPSK相干解调器由于四相绝对移相信号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，其组成方框图如图12-2所示。图中的并/串变换器的作用与调制器中的串/并变换器相反，它是用来将上、下支路所得到的并行数据恢复成串行数据的。（二）OQPSK调制解调原理OQPSK又叫偏移四相相移键控，它是基于QPSK的改进型，为了克服QPSK中过零点的相位跃变特性，以及由此带来的幅度起伏不恒定和频带的展宽（通过带限系统后）等一系列问题。若将QPSK中并行的I，Q两路码元错开时间（如半个码元），称这类QPSK为偏移QPSK或OQPSK。通过I，Q路码元错开半个码元调制之后的波形，其载波相位跃变由180°降至90°，避免了过零点，从而大大降低了峰平比和频带的展宽。下面通过一个具体的例子说明某个带宽波形序列的I路，Q路波形，以及经载波调制以后相位变化情况。若给定基带信号序列为1－1－11111－1－111－1对应的QPSK与OQPSK发送波形如图12-3所示。1-1-11111-1-111-1111-11-111-11-1-111-11-1基基基基I基基QPSK,OQPSKQ基基QPSKQ基基OQPSK-1图12-3QPSK,OQPSK发送信号波形图12-3中，I信道为U（t）的奇数数据单元，Q信道为U（t）的偶数数据单元，而OQPSK的Q信道与其I信道错开（延时）半个码元。QPSK，OQPSK载波相位变化公式为()33arctan,,,()4444jijiQtItQPSK数据码元对应的相位变化如图12-4所示，OQPSK数据码元对应相位变化如图12-5所示-3-I信道Q信道+1-1+1-10Q信道+1-1+1-10(-1,1)(-1,-1)(1,-1)(1,1)(-1,-1)(-1,1)(1,1)(1,-1)I信道图12-4QPSK相位变化图图12-5OQPSK相位变化图对于QPSK数据码元对的相位变换由图12-4求得为：(1,-1)(-1,1)(1,1)(1,-1)(1,-1)(-1,1)()4()34()4()4()34()422码元对相位及相位变化：可见，在QPSK中存在过零点的180°跃变。对于OQPSK数据码元对的相位变化由图12-5求得为：(1,-1)(1,1)(-1,1)(1,1)(1,1)(-1,-1)()422码元对相位及相位变化：(1,-1)(1,-1)(-1,1)(1,1)(-1,-1)()4()34222222()34()4()4()34()34()4()4()40°0°可见，在QPSK中，仅存在小于2＝90°的相位跃变，而不存在过零点跃变。所以OQPSK信号的带限不会导致信号包络经过零点。OQPSK包络的变化小多了，因此对OQPSK的硬限幅或非线性放大不会再生出严重的频带扩展，OQPSK即使再非线性放大后仍能保持其带限的性质。OQPSK的调制和相干解调框图如图12-6、12-7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OQPSK信号I(t)Q(t)cosAtsinAt延时Ts/2图12-6OQPSK调制器框图并串变换载波发生器移相90o二进制信息OQPSK信号延时Ts/2积分判决积分判决位定时恢复图12-7OQPSK相干解调器框图（三）星座图星座图可以看成数字信号的一个“二维眼图”阵列，同时符号在图中所处的位置具有合-4-理的限制或判决边界。代表各接收符号的点在图中越接近，信号质量就越高。由于屏幕上的图形对应着幅度和相位，阵列的形状可用来分析和确定系统或信道的许多缺陷和畸变，并帮助查找其原因。星座图对识别下列调制问题相当有用：幅度失衡正交误差相关干扰相位噪声、幅度噪声相位误差调制误差比在数字调制中，我们可以通过星座图来观察相位的变化、噪声干扰、各矢量点之间的相位转移轨迹等状况，通过星座图，我们可以很容易的看出各矢量调制的频谱利用率情况，应该说，改变基带信号的相位转移轨迹也就改变了调制信号的频谱特性。星座显示是示波器显示的数字等价形式，将正交基带信号的I和Q路分别接入示波器的两个输入通道，通过示波器的“X-Y”的功能即可以很清晰的看到调制信号的星座图。t理想QPSK图13-1QPSK信号限带前后的波形QIIQ（a）QPSK（b）OQPSK图13-2相位转移图波形的跳跃与弯曲是由于载波相位不连续变化引起的。采用PSK调制方式时，在信号点配置图上信号的相位从一点转到另一点回发生瞬时变动，相位的不连续性是不可避免的。五、实验步骤（一）观测QPSK调制解调信号波形1）将信号源模块和模块5固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。2）将信号源上S4拨为“1011”，使“PN”“CLK1”输出码速率为16K，将S5拨为“0110”，使“CLK2”输出码速率为512K。3）关闭系统电源，按如下方式连线源端口目标端口连线说明信号源：PN（16K）模块5：NRZINS4拨为“1011”，PN是16K伪随机码信号源：CLK1（16K）模块5：CLK提供16K时钟输入信号源：CLK2（512K）模块5：512KS5拨为“0110”模块5：调制载波模块5：解调载波提供解调载波输入模块5：正交调制载波模块5：正交解调载波提供正交解调载波输入模块5：QPSKOUT模块5：QPSKINQPSK解调信号输入*检查连线是否正确，检查无误后打开电源-5-4）将模块5上开关J1调到“QPSK”档。5）以I-IN信号为内触发源，用双踪示波器观察I路基带信号和I路调制输出“I”的输出波形。（如图1）6）以Q-IN信号为内触发源，用双踪示波器观察Q路基带信号和Q路调制输出“Q”的输出波形。（如图2）图1图27)调节电位器W2，使I路、Q路调制信号幅度一致。（如图3）图38)将示波器设置为XY显示模式，示波器探头分别接模块5上“模拟—I”和“模拟—Q”测试点调节W4、W5(W4、W5分别调节解调载波的相位)，并适当调节示波器，使屏幕上显示清晰方正的星座图，观察星座图的特征。（如图4）9）以NRZIN信号为内触发源，用双踪示波器观察基带信号和“QPSKOUT”输出波形。（W4、W5分别调节解调载波的相位，调节它们可在“QPSKOUT”处可观察到解调载波和信号不正交时波形变化的情况）（如图5）图4图510）用示波器观察“IOUT”、“QOUT”处波形，与原始信号“I-IN”和“Q-IN”进行比较。（如图6）11）用示波器观察“NRZOUT”处波形，与NRZIN进行比较。（如图7）-6-图6图7六、实验思考题1、分析QPSK的调制与解调原理。四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45°，135°，225°，315°，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特2、分析多进制数字相位调制系统的抗噪声性能。在QPSK体制中，由于信号矢量的相位因噪声而造成偏离，就会发生错判。3、QPSK星座图代表了什么？各类调制信号在信号空间中的表现形式（星座图）不同，不同的形式对应着不同的调制方式。同样通过仿真星座图的轮廓可以推测出信号的调制方式。八、实验心得通过这次实验，我了解用CPLD进行电路设计的基本方法，初步掌握了QPSK调制与解调的原理。通过实验中观察到的波形图，我领会了星座图的概念、星座图的产生原理及方法，了解星座图的作用及工程上的作用。对QPSK的调制解调产生了浓厚的兴趣，动手能力也有了一定的提高。