试验九QSK调制与解调试验报告

1、实 验 九 Q P S K / O Q P S K 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、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-

2、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 变换输入载波振荡平衡调制器2移相 相加输出sin ct平衡调制器a)b(1)（b） 图 12-1 QPSK 调制表 12-1 QPSK 信号相位编码逻辑关系A1001B1100a 路平衡调制器输出01801800b 路平衡

3、调制器输出9090270270合成相位45135225315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

4、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

5、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 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 对应的 QPSK 与 OQPSK 发送波形如图 12-3 所示。基基基 基 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1I基基QPSK, OQPSK1 -1 1 1 -1 1Q基基QPSK-1 1 1 -1 1 -1Q基基OQPSK-1 1 1 -1 1 -1图 12-3 QPSK,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

6、， 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ij arctanQj (t)Ii(t)44QPSK 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Q信道图 12-4 QPSK 相位变化图Q信道(- 1,1)(1,1)+1-1+10I 信道-1- 1, - 1)(1, -(对于 QPSK 数据码元对 的相位变换由图1) 图 12-5 OQPSK 相位变化图 12-4 求得为：码元对 (1,-1) (-1,1)(1,1) (1,-1) (-1,1) (1,-1)32()24 180跃变

7、。 对于 OQPSK 数据码元对的相位变化由图 码元对 (1,-1) (-1,-1) (-1,1)相位及相位变化： ( )4 可见，在 QPSK 中存在过零点的( ) 2 ( )4412-5 求得为：(1,1)(1,1)(1,1)相位及相位变化： ( ) 2 ( 3 )442 ( 3 ) 2()4(4) ( 4)0(4)(1,-1) (-1,-1)(-1,1)(1,1)(1,-1)2 3 2(4)可见，在2()24QPSK 中，仅存在小于 90的相位跃变，而不存在过零点跃变。所以OQPSK 信号的2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

8、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。图 12-6 OQPSK 调制器框图判决积分载波 发生器OQPS信K号积分位定时恢复判决图 12-7 OQPSK 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：

9、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I和Q 路分别接入示波器 功在数字调制中， 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。限带前后的波形Q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 的两个输入通道，通过示波器的“ X-Y ”的 能即可以很清晰的看到调制信号的星座图。（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

10、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：C

11、LK2（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I 路调制Q 路调制输出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“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

12、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 ”

13、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）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