实验九 QPSK调制与解调

实验九、QPSK 、QDPSK 调制与解调
一、实验目的
1、掌握QPSK 调制与解调的基本原理及实现方法。

2、掌握QDPSK 调制与解调的基本原理及实现方法。

3、分析QPSK 、QDPSK 系统的有效性和可靠性。

二、实验原理
为提高通信的有效性，最常用的办法的是采用多进制的数字调制。

MPSK 和MDPSK 就是多进制的数字相移键控即多相制信号，前者称为多进制绝对相移键控，后者称为多进制相对（差分）相移键控，它们都用M 个相位不同的载波来表示M 个不同的符号。

一般来说，有n
M 2=，因此，一个符号可以代表n bit 的二进制码元。

1、QPSK 信号分析
QPSK （Quadrature Phase Shift Keying ，正交相移键控）又叫四相绝对相移键控（4PSK ），它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2bit 信息，故每个四进制符号又被称为双比特码元。

把组成双比特码元的前一信息比特记为a 码，后一信息比特记为b 码，为使接收端误码率最小化，双比特码元（a ，b ）通常按格雷码（Gray code ）方式排列，即任意两个相邻的双比特码元之间只有一个比特发生变化。

图9.1给出了双比特码元（a ，b ）与载波相位的对应关系，其中图（a ）表示A 方式，图（b ）表示B 方式。

图9.1 QPSK 信号相位矢量图 （a ）A 方式（2/π系统） （b ）B 方式（4/π系统）
根据相位矢量图，得到双比特码元与载波相位之间的对应关系，如表9.1所示。

A 方式的QPSK 信号可表示为
)2
cos()cos()(πωθωn
t t t s c n c +=+=，3 ,2 ,1 ,0=n
B 方式的QPSK 信号可表示为
)4
1
2cos()cos()(πωθω++
=+=n t t t s c n c ，3 ,2 ,1 ,0=n 由于QPSK 信号普遍采用正交调制（又称IQ 调制）法产生，故QPSK 信号统一表示为
t Q t I t t s c c n c ωωθωsin cos )cos()(⋅-⋅=+=
这样，将a 码送入I 路，b 码送入Q 路，然后将I 路信号与载波t c ωcos 相乘，Q 路信号与正交载波t c ωsin 相乘，之后通过加法器相加，即可得到QPSK 信号。

2、QPSK 调制
以B 方式为例，QPSK 信号的产生方法有两种：一是正交调制法，二是相位选择法。

（1）正交调制(IQ 调制)法
二进制调相信号通常采用键控法，而多进制调相信号普遍采用IQ 调制法产生。

正交调制法产生QPSK 信号的原理框图如图9.2所示，它可以看成由两个2PSK 调制器构成，上支路将a 码与余弦载波相乘，下支路将b 码与余弦载波相乘，这样产生载波相互正交的两路2PSK 信号，再将这两路信号相加，通过矢量合成便是QPSK 信号。

图9.2 正交调制法产生QPSK 信号 （a ）原理框图 （b ）矢量合成原理 图中输入的数字基带信号)(t A 是二进制的单极性不归零码，通过“串/并变换”电路变成并行的两路码元a 和b 后，其每个码元的传输时间是输入码元的2倍，且单极性信号将变为双极性信号。

其变换关系式将“1”变为“+1”、“0”变为“-1”。

“串/并变换”过程如图9.3所示，图中0、1、2等表示为二进制基带码元的序号。

从电路实现的角度看，串并变换实现了双比特码元和I 、Q 两路信号幅度之间的映射，如表9.2所示。

IQ 信号幅度只有2种取值，设为2/1是为了保证输出QPSK 信号幅度为1。

)
1(a )0(a )
1(b )
0(b )
1 ,1()
0 ,0()
0 ,1()
1 ,0(
图9.3 串/并变换电路工作原理
（2）相位选择法
相位选择法原理框图如图9.4所示。

图中载波产生器产生四种相位的载波，经逻辑选择电路，根据输入信息a 和b ，决定选择哪个相位的载波输出，然后经过带通滤波器滤除高频
分量。

这种方式适合用于载频较高的场合。

图9.4 相位选择法产生QPSK 信号的原理框图
3、QPSK 解调
图9.5 QPSK 信号解调原理框图
QPSK 信号的解调可以用两个正交的载波信号实现相干解调，如图9.5所示。

由于QPSK 信号可以看作是两个正交2PSK 信号的叠加，所以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2PSK 信号。

相干解调后的两路并行码元a 和b ，经过并/串变换后，可恢复出原串行信息。

这种解调仍然存在相位模糊现象。

)
为了克服QPSK 的相位模糊现象，人们常采用QDPSK 调制，即用相邻码元载波相位的相对变化来表示数字基带信号，它可以理解为四进制的相对（差分）相移键控。

将表9.1中的n θ换成n θ∆，即得QDPSK 信号的编码规则，此时n θ∆是本码元载波相位相对于前一码元的相位变化。

QDPSK 信号产生方法与QPSK 信号的产生方法类似，只需在图9.2（a ）中发送端串/并变换后增加差分编码器，即可获得QDPSK 信号。

图7-37 第一种QPSK 信号产生方法
图9.6 正交调制法产生QDPSK 信号的原理框图
关于差分编码：发送端差分编码的实现常用“模4加”电路，如图9.7所示。

图9.7 差分编码的实现 （a ）模4加电路 （b ）模与双比特码元的对应关系 模4加的运算法则是：相加之值<4，其和为结果值；相加之值>4，其和减4为结果值；相加之值=4，结果值为0。

例如：
QDPSK 信号的解调方法和2DPSK 解调类似，也有极性比较法和差分检测法两种。

QDPSK 信号极性比较法的解调原理框图如图9.7所示，与图9.5比较，只是多了一个码反变换（差分译码），将差分码变成绝对码。

图9.7 QDPSK 信号极性比较法解调的原理框图
关于差分译码（逆码变换）：接收端差分译码的实现常用“模4减”电路。

模4减的运算法则是：相减之值>0，其差为结果值；相减之值<0，其差加4为结果值；相加之值=0，结果值为0。

三、实验步骤
1、启动实验，新建工程文件并保存。

（1）双击桌面VMware Workstation 图标，开启虚拟机jiaoxue_pc_0413，用户名：zhiling ，密码：123456。

（2）双击智领通信教学软件图标，进入开发模式。

（3）通过File ->新建->其他(O)...，弹出“新建”窗口，选择Zrc 菜单->新建一个ZRC 工程，点击下一步进入“创建一个新的egrc 工程”窗口，输入项目名2FSK ，点击完成，出现空白的2FSK.zrc 工程设计窗口。

2、模拟法产生2FSK 信号，观察波形和频谱。

（1）在工程设计窗口中依次添加文件信源、信号源(1)、信号源(2)、数据组帧、比特扩展、整型至浮点型、反相器、乘法器、加法器、浮点至复数型、KZSDR 信宿、示波器、频谱仪等模块。

（2）各模块作用及设置如下：
文件信源模块：产生基带信号，50 个 bit 的随机“0”或“1”序列；
s (
信号源(1)模块：产生载波信号1，频率为20KHz，幅度为1，相位为0的余弦信号；
信号源(2)模块：产生载波信号2，频率为40KHz，幅度为1，相位为0的余弦信号；
数据组帧模块：产生24个bit“0”或“1”组成同步序列码，对基带信号加入同步码，其作用是使其能够在2FSK解调时能够解码基带信号；
KZSDR模块：2FSK信号发送模块，同时设置KDZL-SDR-RL01通用软件无线电开发平台的相关参数：采样率为400KHz，中心频率为340MHz，信号增益为60dB(可调)，发送天线通道为RX2，发送信号带宽为400KHz。

比特扩展模块：矩形成波，将基带信号波形变为矩形波。

反相器模块：将基带信号进行反相。

“0”码变为“1”码，“1”码变为“0”码。

（3）系统连线，如图7.7所示。

（4）编译，运行。

（5）观察波形，如图7.8所示。

（6）观察频谱，如图7.9所示。

3、键控法产生2FSK信号，观察波形和频谱。

4、包络检波法解调2FSK信号，观察波形和频谱。

（1）
（2）
（3）
（4）
5、相干解调法解调2FSK信号，观察波形和频谱。

（1）
（2）
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（3）
（4）
四、观察与思考
体制的QDPSK调制器原理框图和相位矢量图。

1、画出2/
答：
2、在信道中加入高斯白噪声，观察解调后误码率的变化。

3、在接收端如果本地载波与发送载波不同相，观察解调后误码率的变化。