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QPSK/DQPSK 调制解调系统仿真

作者:timerring
  • 2023-03-24
    山东
  • 本文字数:6701 字

    阅读完需:约 22 分钟

一、目的

1、掌握多进制数字调制与解调的概念;


2、掌握 QPSK 调制及解调的原理及实现方法;


3、了解 QPSK 调制的 A 方式及 B 方式,并观测对应的星座图;


4、了解 QPSK 的相位模糊情况,并思考解决办法;


5、了解 DQPSK 的差分编码和译码算法。

二、原理

1 多进制数字调制与解调

在二进制数字调制系统中,每个码元只传输 1bit 信息,其频带利用率不高。为提高频带利用率,最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息。这就是多进制数字调制体制。


多进制数字调制与二进制数字调制相比,多进制数字调制具有以下两个特点。


(1)在相同的码元传输速率下,多进制系统的信息传输速率显然比二进制系统的高。


(2)在相同的信息速率下,由于多进制码元传输速率比二进制的低,因而多进制信号码元的持续时间要比二进制的长。显然,增大码元宽度,就会增加码元的能量,并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。

2 QPSK 调制

QPSK 又叫四相绝对相移调制,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,故每个四进制码元又被称为双比特码元。把组成双比特码元的前一信息比特用 I 代表,后一信息比特用 Q 代表。双比特码元中两个信息比特 IQ 通常是按格雷码排列的。





3 QPSK 解调

由于 QPSK 可以看作是两个正交 2PSK 信号的叠加,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


4 DQPSK 调制

5 差分码编码原理

对采用正交方式实现的 QPSK 调制,采用格雷差分编码可以归纳为如下两种情况:


若上次输出满足 , 则此次输出为:


\left{\begin{array}{c}I_{\text {out }}^{n}=I_{\text {in }}^{n} \oplus I_{\text {out }}^{n-1} \Q_{\text {out }}^{n}=Q_{\text {in }}^{n} \oplus Q_{\text {out }}^{n-1}\end{array}\right.


若上次输出满足 , 则此次输出为:


\left{\begin{array}{l}I_{\text {out }}^{n}=Q_{\text {tn }}^{n} \oplus I_{\text {out }}^{n-1} \Q_{\text {out }}^{n}=I_{\text {in }}^{n} \oplus Q_{\text {out }}^{n-1}\end{array}\right.


差分编译码的过程,解调 1 对应的正确解调情况,解调 2 对应的是有相位模糊的情况



三、相关问题

1、什么是 QPSK 调制?与 BPSK 调制相比,有什么区别和优势?


QPSK 又叫四相绝对相移调制,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,故每个四进制码元又被称为双比特码元。


区别和优势:


(1)在相同的码元传输速率下,QPSK 的信息传输速率显然比 BPSK 的高。


(2)在相同的信息速率下,QPSK 码元的持续时间比 BPSK 的长,且 QPSK 由于信道特性引起的码间干扰的影响比 BPSK 小。


2、画出 DQPSK 正交调制框图和采用相干解调的完整框图。



3、什么是差分编码?通信系统中差分编码的作用是什么?


差分编码是把绝对相位调制变成相对相位调制,利用载波相位的相对跳变来传递信息。


作用:即使载波恢复时出现相位模糊的情况也不会影响正确解调。


4、设四进制符号的二进制序列为 00,11,01,10,11,10,11,11,以不归零的单极性矩形脉冲为基带波形,画图表示原信号、串并转换后 I 路信号和 Q 路信号。



5、设四进制符号(绝对码)的二进制序列为 10,10,10,10,10,10,10,10,初始参考符号为 00 。参考表 4,列表表示绝对码的格雷码表示、差分编码后(相对码)的格雷码表示、相对码的二进制表示。


四、步骤

1.QPSK 调制观测

(1) 基带数据设置及时域观测


使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8,使用鼠标点击“基带设置”按钮,设置基带速率为 “15-PN”“128K”,点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化,理解并掌握基带数据设置的基本方法。


(2)基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测


用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5,和 2P6 基带数据进行对比,分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5 和 4TP6,观测其在时间上是否对齐。


(3)I、Q 两路基带信号符号映射观测


使用示波器分别观测“I 符号-4VT12”和“Q 符号-4VT13”输出,分别和 I 路基带数据和 Q 路基带数据进行对比,观测符号映射前后,信号的变化情况,分析该变化是否满足 B 方式 下 I,Q 的数据映射关系。


说明:在调制器中,完成串并转换后,并不会直接和载波相乘,一般会根据实际情况进行二次处理。例如:如果需要基带成型,则需经过成型滤波器,对于 A,B 两种方式,也会进行不同的电平转换。在实验中为了便于观测,内容设置选择了 B 方式,并且没有进行成型滤波。


(4)调制载波观测


用示波器观测调制载波 4VT11,点击“载波频率”按钮,通过旋钮调整载波频率,观测载波频率的变化。


(5)I,Q 两路调制观测


用示波器分别观测“I 符号”和“I 路调制”;“Q 符号”和“Q 路调制”,观测 I、Q 两路 调制前后的对应关系; 说明:为了便于观察较为明显的调制相位关系,可以在观测时将载波频率降到基带信号 速率的 2 倍或 4 倍,如:基带信号 64K,载波频率 128K 或 256K。


(6)QPSK 调制信号时域观测


用示波器同时观测“I 路调制-4VT14”,“Q 路调制-4VT15”,“QPSK 调制-4TP2”,分析 3 路 调制信号的对应关系。 同时观测“基带信号-2P6”和“QPSK 调制-4TP2”,分析基带信号和调制信号载波相位对应关系;


(7)QPSK 调制信号频谱观测


采用示波器的 FFT 功能,观测分析 QPSK 调制信号 4TP2 的频谱特性;


通过“载波频率”旋钮修改载波频率,观察频谱特性的变化。


修改基带信号时钟速率的设置,设置为 64K,128K,观测调制信号的频谱变化。


和基带信号频谱结合,分析基带信号经 QPSK 调制后,频谱的变化情况。分析 QPSK 调制信号的带宽与基带信号速率、载波频率的关系。

2. QPSK 解调观测

(1)载波观测


设置基带数据为全“0”,用示波器通道 1 观测调制载波 5TP1,作为同步通道;通道 2 观测载波输出 5VT11;改变调制端载波频率,观测解调端 5VT11 的频率变化;


(2)判决前信号及对应星座图观测


用示波器分别观测 I 路判决前信号 5TP6 和 Q 路判决前信号 5TP7,观察其时域特性,分析其是否正确。


将示波器调到“XY”模式,两个通道分别调节到“交流”模式,然后将双通道分别接 5TP6 与 5TP7,通道幅度调节到星座图在屏幕上大小合适的状态,观测 QPSK 星座图。


(3)I,Q 两路判决后信号观测


I 路信号判决观测:用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP6,作为同步通道;通道 2 观测 判决后信号 5TP4,观测分析判决后信号是否正确。


Q 路信号判决观测:用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP7,作为同步通道;通道 2 观测 判决后信号 5TP5,观测判决前后信号是否正确。


一般情况下,判决电平为可调量,实验中为了方便,将判决电平设置为固定值,其值为判决前信号的中间电平。


(4)QPSK 解调及相位模糊观察


由于 QPSK 有 4 种相位情况,解调时,解调端提取的同步载波有可能与 4 种相位中的任意一种实现同向。解调时如果本地载波和调制信号载波有相位差,则解调端会出现相位模糊情况,对应 QPSK 的 4 种相位情况,只有 1 种情况可以正确解调,其他 3 种均会出现相位模糊情况(分别为 I 路反向,Q 路反向,I 和 Q 路信号交换),实验中我们用下面方法观测相位模糊的现象。


操作方法:由于相位模糊是有一定概率出现的,因此实验中通过多次断开 5TP1 上的调制信号,有可能出现相位模糊的现象。或者通过框图中的:



按钮,人为调节当前载波相位,产生相位模糊情况。通过点击两个:



按钮,切换 I,Q 通道的互换。


在观测 I,Q 两路相位模糊时,为了便于观测,可将 16bit 基带数据设置为一组较为特殊 的数值,如:“1111100010101001”,串并转换后:I 路数据为:11101110,Q 路数据为:11000001, 可以清楚的判断数据是否出现反转。


I 路解调信号观测:用示波器分别,观测 I 路判决 5TP4.Q 路判决数据 5TP5,观测其解调输出是否相同或反向?


用示波器分别观测调制前基带信号 2P6 和解调后信号 5TP3,分析其是否相同。


使用上述方法,通过多次尝试,分别观测到 3 种相位模糊的现象,并思考如何解决相位模糊的现象

3. DQPSK 观测

(1)基带数据设置及时域观测


使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8,使用鼠标点击“基带设置”按钮,设置基带速率为 “15-PN”“128K”,点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化,理解并掌握基带数据设置的基本方法。


(2)基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测


用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5,和 2P6 基带数据进行对比,分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5 和 4TP6。


(3)DQPSK 差分编码观测


使用示波器观测差分编码后信号:4VT11 和 4VT12,和差分前信号(4TP5 和 4TP6)对比,分析差分编码输出是否正确


(4)DQPSK 解调及相位模糊观察


之前在 QPSK 实验中,我们知道 QPSK 解调存在相位模糊的情况,下面分析一下 DQPSK 的相位模糊情况。


操作方法:由于相位模糊是有一定概率出现的,因此实验中通过多次断开 5TP1 上的调制信号,有可能出现相位模糊的现象。或者通过框图中的:



按钮,人为调节当前载波相位,产生相位模糊情况。通过点击两个:



按钮,切换 I,Q 通道的互换。


在观测 I,Q 两路相位模糊时,为了便于观测,可将 16bit 基带数据设置为一组较为特殊 的数值,如:“1111100010101001”,串并转换后:I 路数据为:11101110,Q 路数据为:11000001, 可以清楚的判断数据是否出现反转。


I 路解调信号观测:用示波器分别,观测 I 路判决 5VT13.Q 路判决数据 5VT14,观测其解调输出是否相同或反向?再观测差分译码后信号:5TP4 和 5TP5,和调制前 I、Q 数据对比,分析其是否相同。


用示波器分别观测调制前基带信号 2P6 和解调后信号 5TP3,分析其是否相同。


使用上述方法,通过多次尝试,分别观测到 3 种相位模糊的现象,观察解调数据,思考 DQPSK 是否解决了相位模糊的问题。

五、具体内容

1.QPSK 调制观测

(1) 基带数据设置及时域观测

使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8,使用鼠标点击“基带设置”按钮,设置基带速率为 “15-PN”“128K”,点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化,理解并掌握基带数据设置的基本方法。


这里按照要求设置基带数据如下所示:


(2)基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5,和 2P6 基带数据进行对比,分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5 和 4TP6,观测其在时间上是否对齐。



实验结果如上所示,I 路是奇数位再加偶数位,其中奇数位为 00111101,偶数位为 0110010。Q 路是偶数位 0110010 再加奇数位 00111101。基带信号速率为 128kHz,I、Q 路的信号速率是其一半,为 64kHz。并且 4TP5 和 4TP6 在时间上并不对齐,相差 8 个时钟周期

(3)I、Q 两路基带信号符号映射观测

使用示波器分别观测“I 符号-4VT12”和“Q 符号-4VT13”输出,分别和 I 路基带数据和 Q 路基带数据进行对比,观测符号映射前后,信号的变化情况,分析该变化是否满足 B 方式 下 I,Q 的数据映射关系。


说明:在调制器中,完成串并转换后,并不会直接和载波相乘,一般会根据实际情况进行二次处理。


例如:如果需要基带成型,则需经过成型滤波器,对于 A,B 两种方式,也会进行不同的电平转换。在实验中为了便于观测,内容设置选择了 B 方式,并且没有进行成型滤波。



实验结果如上图所示,其中通道一:I 符号 通道二:Q 符号 通道三:I 数据 通道四:Q 数据。



通过验证可知,满足 B 方式下 I,Q 的数据映射关系。

(4)调制载波观测

用示波器观测调制载波 4VT11,点击“载波频率”按钮,通过旋钮调整载波频率,观测载波频率的变化。


这里调整载波频率从 128KHZ 到 1024KHZ 变化,实验结果如下:



128KHZ



1024KHZ

(5)I,Q 两路调制观测

用示波器分别观测“I 符号”和“I 路调制”;“Q 符号”和“Q 路调制”,观测 I、Q 两路 调制前后的对应关系; 说明:为了便于观察较为明显的调制相位关系,可以在观测时将载波频率降到基带信号 速率的 2 倍或 4 倍,如:基带信号 64K,载波频率 128K 或 256K。



载波频率 128K



载波频率 256K


通过上图可知,在基带信号电平突变时,调制信号的相位也突变至反相。

(6)QPSK 调制信号时域观测

用示波器同时观测“I 路调制-4VT14”,“Q 路调制-4VT15”,“QPSK 调制-4TP2”,分析 3 路 调制信号的对应关系。 同时观测“基带信号-2P6”和“QPSK 调制-4TP2”,分析基带信号和调制信号载波相位对应关系;



同时观测 I 路调制、Q 路调制、QPSK 调制


通过上图可以验证,对于 QPSK 调制=I 路调制 + Q 路调制。



同时观测基带信号和 QPSK 调制


通过上图可以验证,基带信号和调制信号载波相位对应关系大致为:00:225 度、01:135 度、10:315 度、11:45 度。

(7)QPSK 调制信号频谱观测

采用示波器的 FFT 功能,观测分析 QPSK 调制信号 4TP2 的频谱特性;


通过“载波频率”旋钮修改载波频率,观察频谱特性的变化。


修改基带信号时钟速率的设置,设置为 64K,128K,观测调制信号的频谱变化。 和基带信号频谱结合,分析基带信号经 QPSK 调制后,频谱的变化情况。分析 QPSK 调制信号的带宽与基带信号速率、载波频率的关系。


实验结果如下所示:




由上实验图可知,测试结果基本符合所设置的载波频率。并且随着载波频率的增加,中心频率有较为明显的右移。



由上实验图可知,设置载波频率为 128K,改变基带信号的频率,当基带频率为 64K 时,如图所示,观测到频域主瓣第零点的频率为 94.35K。



如图所示,设置基带频率为 128K,此时观测到主瓣第一零点的频率为 64.68K。并且通过观察发现随基带频率增加,调制输出频谱带宽变宽。

2.QPSK 解调

(1)载波观测

设置基带数据为全“0”,用示波器通道 1 观测调制载波 5TP1,作为同步通道;通道 2 观测载波输出 5VT11;改变调制端载波频率,观测解调端 5VT11 的频率变化;




通过实验可知,解调的频率随调制载波频率增大而增大。

(2)判决前信号及对应星座图观测

用示波器分别观测 I 路判决前信号 5TP6 和 Q 路判决前信号 5TP7,观察其时域特性,分析其是否正确。


将示波器调到“XY”模式,两个通道分别调节到“交流”模式,然后将双通道分别接 5TP6 与 5TP7,通道幅度调节到星座图在屏幕上大小合适的状态,观测 QPSK 星座图。




通过上图可见,I 路以及 Q 路判决前信号时域特性均与理论情况相符,示波器调到 XY 模式观察星座图, 15PN 时存在 4 个点与 B 方式基本相符。

(3)I,Q 两路判决后信号观测

I 路信号判决观测:用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP6,作为同步通道;通道 2 观测 判决后信号 5TP4,观测分析判决后信号是否正确。


Q 路信号判决观测:用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP7,作为同步通道;通道 2 观测 判决后信号 5TP5,观测判决前后信号是否正确。


一般情况下,判决电平为可调量,实验中为了方便,将判决电平设置为固定值,其值为判决前信号的中间电平。



由实验图可知,判决前后信号是反相的。

(4)QPSK 解调及相位模糊观察

由于 QPSK 有 4 种相位情况,解调时,解调端提取的同步载波有可能与 4 种相位中的任意一种实现同向。解调时如果本地载波和调制信号载波有相位差,则解调端会出现相位模糊情况,对应 QPSK 的 4 种相位情况,只有 1 种情况可以正确解调,其他 3 种均会出现相位模糊情况(分别为 I 路反向,Q 路反向,I 和 Q 路信号交换),实验中我们用下面方法观测相位模糊的现象。



I 路反向,Q 路正向的情况,其对应的解调信号如下:




I 路反向,Q 路反向的情况,其对应的解调信号如下:




I 路正向,Q 路反向的情况,其对应的解调信号如下




I 路正向,Q 路正向的情况,其对应的解调信号如下



通过实验结果可知,如果 Q 路反相后会出现严重的相位模糊情况,解决方法是采用 DQPSK 方式。

3. DQPSK 调制观测

(1)基带数据设置及时域观测

使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8,使用鼠标点击“基带设置”按钮,设置基带速率为 “15-PN”“128K”,点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化,理解并掌握基带数据设置的基本方法。


(2)基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5,和 2P6 基带数据进行对比,分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5 和 4TP6。



I 路为 2P6 的奇数位再加偶数位,Q 路为 2P6 的偶数位再加奇数位;与基带信号相比,I、Q 路的信号速率都减半。

(3)DQPSK 差分编码观测

使用示波器观测差分编码后信号:4VT11 和 4VT12,和差分前信号(4TP5 和 4TP6)对比,分析差分编码输出是否正确



使用示波器观测差分编码后信号:4VT11 和 4VT12,和差分前信号(4TP5 和 4TP6)对比,可见差分编码输出正确。

(4)DQPSK 解调及相位模糊观察

之前在 QPSK 实验中,我们知道 QPSK 解调存在相位模糊的情况,下面分析一下 DQPSK 的相位模糊情况。




由上图可知,左右二者相同,且无其他相位模糊情况,可见 DQPSK 解决了相位模糊的问题。

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