OQPSK调制与解调系统实验

1、目录目录一、实验要求及开发环境一、实验要求及开发环境.1二二.实验原理实验原理.32.1 调制方式简介 .32.2 OQPSK 的含义.42.3COSTAS环.6三三.实验仿真实验仿真.83.1COSTAS环单独仿真.83.2 OQPSK 调制解调仿真.93.2.1 科斯塔斯环 .103.2.2 串并转换和并串转换 .123.2.3 误码率测试.12四四. .实验结论实验结论.14五五. .待解决问题待解决问题.14六六.实验总结实验总结.14八八. .参考文献参考文献.151一、实验要求及开发环境一、实验要求及开发环境实验要求：1. 数字相关器子系统 2. 仿真结果分析实验目的：1.了解 P

2、SK 直序扩频通信系统的基本原理 2.掌握 Systemview 的使用开发环境：PC 机 开发软件：SystemviewSystemview 简介 Systemview 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真。直到一般系统的数学模型建立等各个领域，systemview 在友好且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。 利用 systemview，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。其特色是，利用它可以从各种不同角度、以不同方式，拉要求设计多种

3、滤波器，并可自动完成滤波器的各种指标一如幅频待件(波特图)、传递函数、根轨迹图等之间的转换。它还可以实时地仿真各种位真的 DSP 结构，并进行各种系统的时域和频域分析、诺、谱分析，以及对各种逻辑电路、射2频模拟电路(混领器、放大器、RLC 电路、运放电路等)进行理论分析和失真分析等。二二.实验原理实验原理2.1调制方式简介调制方式简介 在通信原理中把通信信号按调制方式可分为调频、调相和调幅三种。数字传输的常用调制方式主要分为：正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。键控移相调制（QPSK）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。残留边带调制

4、（VSB）：抗多径传播效应好（即消除重影效果好） ，适合地面广播。编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。世广数字卫星广播系统的下行载波的调制技术采用 TDM QPSK 调制体制。它比编码正交频分多路复用（COFDM）调制技术更适合卫星的大面积覆盖。通信的最终目的是在一定的距离内传递信息。虽然基带数字信号可以在传输距离相对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输数

5、字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。理论上，数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都是属正弦波调制。但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。3在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK)中，就频带利用率和抗噪声性能（或功率利用率）两个方面来看，一般而言，都是 PSK 系统最佳。所以PSK 在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。OQPSK 是 PSK 调制方式中的一种。

6、解调是调制的逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样。与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。对于多重调制需要配以多重解调。2.2 OQPSK的含义的含义OQPSK 也称为偏移四相相移键控（offset-QPSK），是 QPSK 的改进型。它与 QPSK 有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期

7、。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK 信号相位只能跳变 0、90，不会出现 180的相位跳变。OQPSK 信号可采用正交相干解调方式解调，其原理如图 5-49 所示。由图看出，它与 QPSK 信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对 Q 支路信号抽样判决时间比 I 支路延迟了/2，这是因为在调制时 Q 支路信号在时间上偏移了/2，所以抽样判决时刻也应偏移/2，以保证对两支路交错抽样。OQPSK 克服了 QPSK 的 l80的相位跳变，信号通过 BPF 后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。但是，当码元转换时

8、，相位变化不连续，存在 90的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。QPSK 数据码元对应的相位变化如图 1-1 所示，OQPSK 数据码元对应相位变化如图 1-2 所示。I I信信道道Q Q信信道道11110Q Q信信道道11110(1,1)(1,1)(1,1)(1,1)(1,1)(1,1)(1,1)(1,1)I I信信道道4图 1-1 QPSK 相位变化图 图 1-2 OQPSK 相位变化图 对于 QPSK 数据码元对 的相位变换由图 1-1 求得为：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 1-2 求得为：可见，在 OQPSK 中，仅

9、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 1-3、图 1-4 所示 (1,-1)(-1,1)(1,1)(1,-1)(1,-1)(-1,1)()4()34()4()4()34()422码元对相位及相位变化：(1,-1)(1,1)(-1,1)(1,1)(1,1)(-1,-1)()4码元对相位及相位变化：(1,-1)(1,-1)(-1,1)(1,1)(-1,-1

10、)()4()342()34()4()4()34()34()4()4()4002222222串串并并变变换换电电平平产产生生电电平平产产生生载载波波发发生生器器移移相相90二二进进制制信信息息OQPSK信信号号I(t)Q(t)延延时时Ts/2cosAtsinAt5图 1-3 OQPSK 调制器框图 图 1-4 OQPSK 相干解调器框图当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。提取载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出

11、载波，这类方法称为插入导频法；另一类是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。2.3Costas环环Costas 环用来提取同步载波，又称为同相正交环，其原理框图如下：输入已调信号90相移压控振荡器环路滤波器低通低通输出V3V5V4V6 V3 V7V1V2在科斯塔斯环中，误差信号 V7 是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经 90移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到并并串串变变换换载载波波发发生生器器移移相相9 90 0o o二二进进制

12、制信信息息O OQ QP PS SK K信信号号整整形形判判决决整整形形判判决决位位定定时时恢恢复复延延时时T Ts s/ /2 26仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明。设输入调制信号为，ttmcos)(则)2cos()cos(21)cos(cos)(3ttmtttmVccc)2sin()sin(21)sin(cos)(4ttmtttmVccc经低通滤波器后的输出分别为： cos)(215tmV sin)(216tmV 将和在相乘器中相乘得到5V6V=7V5V6V2sin)(81

13、2tm其中 是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当 较小时7V)(412tm上式中的大小与相位误差 成正比，它就相当于一个鉴相器的输出。用去调整压控7V7V振荡器输出信号的相位，最后使稳定相位误差减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出就是所需提取的载波。在 systemview 上的仿真如下：1.在 systemview 器件库中可以直接调出一个 Costas 环仿真图符，只需设置相应的参数即可。该器件图标如左图示。参数设置窗口如下：在“VCO Freq” 栏输入锁相环的压控振荡器频率，一般设置为与要提取载波频率非常接近的值“Mod Gain”为锁相环 VCO 的频率调制增益，另

14、外还需在“Loop Fltr a/b”栏输入锁相环低通滤波器的传输函数的两个系数。7三三.实验实验仿真仿真3.1Costas环单独仿真环单独仿真下面通过连接器件来进行仿真模拟 Costas 环。其中 PN 码发生（图符 17）频率为 10Hz，调制载波（图符 16）为 200HzIQ 两路低通滤波器（图符 7 和 5）频率设置为 100Hz。环路滤波（图符 9）频率设置为8180Hz。增益（图符 11）为 4，增益(图符 4)为 2。Fm 频率调制器件（图符 3）参数设置为，VCO 调制增益为 20Hz/V频率在 194Hz 至 206Hz 之间均可以解调出来原始信号。相位与调制信号相同均为

15、0。其功能函数为通过调整增益 G 的大小来改变频率范围，)(2sin()(ttcstartdxGtfAty当超过这一频率范围则不能恢复出原始信号。当 Fm 频率为 203Hz 时仿真波形如下：原始信号为通过解调后波形为信号基本被恢复出来。若用 Pm 器件进行解调，使频率与调制载波相同，而相位不同。其功能函数为)(2sin()(tGxtfAtyc通过调整增益 G 的大小可以调整相位范围，当超过该相位范围则不能解调出原始信号。这里不再做仿真。93.2 OQPSK 调制解调仿真OQPSK 调制与解调系统总框图 该实验的仿真过程为用一路频率为 10HZ 的 PN 序列作为输入信号，经过串并转换一路变两

16、路，然后分别用同一频率但相互正交的载波对两路信号分别进行调制，变为模拟信号，调制后的信号通过一模拟的加性高斯白噪声信道，然后用一科斯塔斯环进行接收解调，对解调后的信号进行抽样判决再并串转换之后得到最终解调信号。另外还添加了器件对该系统的误码性能进行统计。3.2.1 科斯塔斯环科斯塔斯环10如图所示，科斯塔斯环的工作原理在前面已经介绍过了，它主要是通过频率调制器 Fm，即图符 72，并不断滤除载波中 2wc 的高频部分，不断循环，从而使解调时能与发射端的载波同频同相，准确解调的目的。这部分中器件参数设置如下： 图符 72(频率调制器 Fm)： 图符 59（增益）：11 图符 69、70、71、7

17、3、74（低通滤波器）：123.2.2 串并转换和并串转换串并转换和并串转换关键点在于两个方波脉冲频率设置均为 5HZ，即串行数据的一半频率。 3.2.3 误码率测试误码率测试该实验中影响误码率的关键因素为加性高斯噪声的大小，当噪声取不同的值时对应的误码率分别如下图13Std deviation =1 V Std deviation =2 VStd deviation =3 V可见随着噪声的加大误码率明显增大，并且当噪声增到到一定值时，信号完全被噪声掩盖，误码率达到极限不再增大。14 四四. .实验实验结论结论如图，解调结果和输入的如图，解调结果和输入的 PNPN 序列相比波形几乎完全一致，只

18、是产生了序列相比波形几乎完全一致，只是产生了 0.4s0.4s 的的时延，说明仿真成功。时延，说明仿真成功。五五. .待解决问题待解决问题全局关联变量的设置当一个高斯噪声信道的 RBE 测试模型设置基本完毕后, 并不能绘出完整正确的RBE/RSN 曲线, 还必须将噪声增益控制与系统循环次数进行全局变量关联, 使信道的信噪比(R SN ) 由 0 dB 开始逐步加大, 即噪声逐步减小, 噪声每次减小的步长与循环次数相关。然而具体设置过程中却总是出现系统运行错误，从而无法完整绘制误码率曲线。六六.实验实验总结总结这次实验主要内容是实现 OQPSK 的调制与解调，通过串并转换，正交载波调制及载波恢复

19、和并串转换，其中还引入了科斯塔斯环使解调载波和调制载波同频同相从而正确解调出输入信号。实验过程较为简单，但是需要注意的细节也不少，通过自己认真实践还是可以学到不少东西的。在整个做实验的过程中，我搜集了许多资料，也请教过同学。一开始总是不能仿真出正确的结果，调整参数遇到许多问题，最开始甚至连一些原件的参数都搞不懂是起什么作用。通过不断的摸索仿真，对仿真波形的观察，逐步了解了每个元件的作用。这次试验让我受益颇多，加深了自己对通信原理课程理论知识的认识程度和对实验的理解，学会了 Systemview 的操作。在验收时通过老师的讲解，了解到了自己实验中不足的15地方，以及许多原理上的推导过程。实验心得体会：1 善于查找资料同样开始做一个实验，有一本好的指导书，就比别人起步要高，做实验也是事半功倍。有很多不会的，不懂的问题都可以从书中找到答案，实在前任的基础上前进。在做实验的过程中遇到的问题都可以到网上或查阅资料找寻答案。在本次实验中，在网上找寻答案对我有很大的帮助