关于仿真:QPSKDQPSK-调制解调系统仿真

一、目标

1、把握多进制数字调制与解调的概念；

2、把握 QPSK 调制及解调的原理及实现办法；

3、理解 QPSK 调制的 A 形式及 B 形式，并观测对应的星座图；

4、理解 QPSK 的相位含糊状况，并思考解决办法；

5、理解 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

在二进制数字调制零碎中，每个码元只传输 1bit 信息，其频带利用率不高。为进步频带利用率，最无效的方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，多进制数字调制具备以下两个特点。

（1）在雷同的码元传输速率下，多进制零碎的信息传输速率显然比二进制零碎的高。

（2）在雷同的信息速率下，因为多进制码元传输速率比二进制的低，因此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，就会减少码元的能量，并能减小因为信道个性引起的码间烦扰的影响等。

2 QPSK 调制

QPSK 又叫四相相对相移调制，利用载波的四种不同相位来表征数字信息。因为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

因为 QPSK 能够看作是两个正交 2PSK 信号的叠加，能够采纳与 2PSK 信号相似的解 调办法进行解调，即由两个 2PSK 信号相干解调器形成

4 DQPSK 调制

5 差分码编码原理

对采纳正交形式实现的 QPSK 调制，采纳格雷差分编码能够演绎为如下两种状况：

若上次输入满足 $I_{o u t}^{n-1} \oplus Q_{o u t}^{n-1}=0$ , 则此次输入为:

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

若上次输入满足 $I_{o u t}^{n-1} \oplus Q_{o u t}^{n-1}=1$ , 则此次输入为:

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

差分编译码的过程，解调 1 对应的正确解调状况，解调 2 对应的是有相位含糊的状况

三、相干问题

1、什么是 QPSK 调制？与 BPSK 调制相比，有什么区别和劣势？

QPSK 又叫四相相对相移调制，利用载波的四种不同相位来表征数字信息。因为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。

区别和劣势：

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

（2）在雷同的信息速率下，QPSK 码元的持续时间比 BPSK 的长，且 QPSK 因为信道个性引起的码间烦扰的影响比 BPSK 小。

2、画出 DQPSK 正交调制框图和采纳相干解调的残缺框图。

3、什么是差分编码？通信零碎中差分编码的作用是什么？

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

作用：即便载波复原时呈现相位含糊的状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，画图示意原信号、串并转换后 I 路信号和 Q 路信号。

5、设四进制符号（相对码）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，列表示意相对码的格雷码示意、差分编码后（绝对码）的格雷码示意、绝对码的二进制示意。

四、步骤

1.QPSK 调制观测

(1) 基带数据设置及时域观测

应用示波器别离察看 2P6 和 2TP8，应用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为“15-PN”“128K”，点击“设置”进行批改。观测基带数据的变动，了解并把握基带数据设置的根本办法。

（2）基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器别离观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5，和 2P6 基带数据进行比照，剖析其对应关系及速率变动状况。同时观测 4TP5 和 4TP6，观测其在工夫上是否对齐。

（3）I、Q 两路基带信号符号映射观测

应用示波器别离观测“I 符号 -4VT12”和“Q 符号 -4VT13”输入，别离和 I 路基带数据和 Q 路基带数据进行比照，观测符号映射前后，信号的变动状况，剖析该变动是否满足 B 形式 下 I，Q 的数据映射关系。

阐明：在调制器中，实现串并转换后，并不会间接和载波相乘，个别会依据理论状况进行二次解决。例如：如果须要基带成型，则需通过成型滤波器，对于 A,B 两种形式，也会进行不同的电平转换。在试验中为了便于观测，内容设置抉择了 B 形式，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，观测载波频率的变动。

（5）I，Q 两路调制观测

用示波器别离观测“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；阐明：为了便于察看较为显著的调制相位关系，能够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”，剖析 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”，剖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

采纳示波器的 FFT 性能，观测剖析 QPSK 调制信号 4TP2 的频谱个性；

通过“载波频率”旋钮批改载波频率，察看频谱个性的变动。

批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动。

和基带信号频谱联合，剖析基带信号经 QPSK 调制后，频谱的变动状况。剖析 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 观测载波输入 5VT11；扭转调制端载波频率，观测解调端 5VT11 的频率变动；

（2）裁决前信号及对应星座图观测

用示波器别离观测 I 路裁决前信号 5TP6 和 Q 路裁决前信号 5TP7，察看其时域个性，剖析其是否正确。

将示波器调到“XY”模式，两个通道别离调节到“交换”模式，而后将双通道别离接 5TP6 与 5TP7，通道幅度调节到星座图在屏幕上大小适合的状态，观测 QPSK 星座图。

（3）I，Q 两路裁决后信号观测

I 路信号裁决观测：用示波器通道 1 观测裁决前信号 5TP6，作为同步通道；通道 2 观测 裁决后信号 5TP4，观测剖析裁决后信号是否正确。

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

个别状况下，裁决电平为可调量，试验中为了不便，将裁决电平设置为固定值，其值为裁决前信号的两头电平。

（4）QPSK 解调及相位含糊察看

因为 QPSK 有 4 种相位状况，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，则解调端会呈现相位含糊状况，对应 QPSK 的 4 种相位状况，只有 1 种状况能够正确解调，其余 3 种均会呈现相位含糊状况（别离为 I 路反向，Q 路反向，I 和 Q 路信号交换），试验中咱们用上面办法观测相位含糊的景象。

操作方法：因为相位含糊是有肯定概率呈现的，因而试验中通过屡次断开 5TP1 上的调制信号，有可能呈现相位含糊的景象。或者通过框图中的：按钮，人为调节以后载波相位，产生相位含糊状况。通过点击两个：按钮，切换 I,Q 通道的调换。

在观测 I，Q 两路相位含糊时，为了便于观测，可将 16bit 基带数据设置为一组较为非凡 的数值，如：“1111100010101001”，串并转换后：I 路数据为：11101110，Q 路数据为：11000001，能够分明的判断数据是否呈现反转。

I 路解调信号观测: 用示波器别离，观测 I 路裁决 5TP4.Q 路裁决数据 5TP5，观测其解调输入是否雷同或反向？

用示波器别离观测调制前基带信号 2P6 和解调后信号 5TP3，剖析其是否雷同。

应用上述办法，通过屡次尝试，别离观测到 3 种相位含糊的景象，并思考如何解决相位含糊的景象

3. DQPSK 观测

（1）基带数据设置及时域观测

应用示波器别离察看 2P6 和 2TP8，应用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为“15-PN”“128K”，点击“设置”进行批改。观测基带数据的变动，了解并把握基带数据设置的根本办法。

（2）基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器别离观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5，和 2P6 基带数据进行比照，剖析其对应关系及速率变动状况。同时观测 4TP5 和 4TP6。

（3）DQPSK 差分编码观测

应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）比照，剖析差分编码输入是否正确

（4）DQPSK 解调及相位含糊察看

之前在 QPSK 试验中，咱们晓得 QPSK 解调存在相位含糊的状况，上面剖析一下 DQPSK 的相位含糊状况。

操作方法：因为相位含糊是有肯定概率呈现的，因而试验中通过屡次断开 5TP1 上的调制信号，有可能呈现相位含糊的景象。或者通过框图中的：按钮，人为调节以后载波相位，产生相位含糊状况。通过点击两个：按钮，切换 I,Q 通道的调换。

在观测 I，Q 两路相位含糊时，为了便于观测，可将 16bit 基带数据设置为一组较为非凡 的数值，如：“1111100010101001”，串并转换后：I 路数据为：11101110，Q 路数据为：11000001，能够分明的判断数据是否呈现反转。

I 路解调信号观测: 用示波器别离，观测 I 路裁决 5VT13.Q 路裁决数据 5VT14，观测其解调输入是否雷同或反向？再观测差分译码后信号：5TP4 和 5TP5，和调制前 I、Q 数据比照，剖析其是否雷同。

用示波器别离观测调制前基带信号 2P6 和解调后信号 5TP3，剖析其是否雷同。

应用上述办法，通过屡次尝试，别离观测到 3 种相位含糊的景象，察看解调数据，思考 DQPSK 是否解决了相位含糊的问题。

五、具体内容

1.QPSK 调制观测

(1) 基带数据设置及时域观测

应用示波器别离察看 2P6 和 2TP8，应用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为“15-PN”“128K”，点击“设置”进行批改。观测基带数据的变动，了解并把握基带数据设置的根本办法。

这里依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

用示波器别离观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5，和 2P6 基带数据进行比照，剖析其对应关系及速率变动状况。同时观测 4TP5 和 4TP6，观测其在工夫上是否对齐。

试验后果如上所示，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 在工夫上并不对齐，相差 8 个时钟周期

（3）I、Q 两路基带信号符号映射观测

应用示波器别离观测“I 符号 -4VT12”和“Q 符号 -4VT13”输入，别离和 I 路基带数据和 Q 路基带数据进行比照，观测符号映射前后，信号的变动状况，剖析该变动是否满足 B 形式 下 I，Q 的数据映射关系。

阐明：在调制器中，实现串并转换后，并不会间接和载波相乘，个别会依据理论状况进行二次解决。

例如：如果须要基带成型，则需通过成型滤波器，对于 A,B 两种形式，也会进行不同的电平转换。在试验中为了便于观测，内容设置抉择了 B 形式，并且没有进行成型滤波。

试验后果如上图所示，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 形式下 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，观测载波频率的变动。

这里调整载波频率从 128KHZ 到 1024KHZ 变动，试验后果如下：

128KHZ

1024KHZ

（5）I，Q 两路调制观测

用示波器别离观测“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；阐明：为了便于察看较为显著的调制相位关系，能够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，在基带信号电平渐变时，调制信号的相位也渐变至反相。

（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”，剖析 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”，剖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

通过上图能够验证，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

通过上图能够验证，基带信号和调制信号载波相位对应关系大抵为：00：225 度、01：135 度、10：315 度、11：45 度。

（7）QPSK 调制信号频谱观测

采纳示波器的 FFT 性能，观测剖析 QPSK 调制信号 4TP2 的频谱个性；

通过“载波频率”旋钮批改载波频率，察看频谱个性的变动。

批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动。和基带信号频谱联合，剖析基带信号经 QPSK 调制后，频谱的变动状况。剖析 QPSK 调制信号的带宽与基带信号速率、载波频率的关系。

试验后果如下所示：

由上试验图可知，测试后果根本合乎所设置的载波频率。并且随着载波频率的减少，核心频率有较为显著的右移。

由上试验图可知，设置载波频率为 128K，扭转基带信号的频率，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减少, 调制输入频谱带宽变宽。

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 观测载波输入 5VT11；扭转调制端载波频率，观测解调端 5VT11 的频率变动；

通过试验可知，解调的频率随调制载波频率增大而增大。

（2）裁决前信号及对应星座图观测

用示波器别离观测 I 路裁决前信号 5TP6 和 Q 路裁决前信号 5TP7，察看其时域个性，剖析其是否正确。

将示波器调到“XY”模式，两个通道别离调节到“交换”模式，而后将双通道别离接 5TP6 与 5TP7，通道幅度调节到星座图在屏幕上大小适合的状态，观测 QPSK 星座图。

通过上图可见，I 路以及 Q 路裁决前信号时域个性均与实践状况相符，示波器调到 XY 模式察看星座图，15PN 时存在 4 个点与 B 形式根本相符。

（3）I，Q 两路裁决后信号观测

I 路信号裁决观测：用示波器通道 1 观测裁决前信号 5TP6，作为同步通道；通道 2 观测 裁决后信号 5TP4，观测剖析裁决后信号是否正确。

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

个别状况下，裁决电平为可调量，试验中为了不便，将裁决电平设置为固定值，其值为裁决前信号的两头电平。

由试验图可知，裁决前后信号是反相的。

（4）QPSK 解调及相位含糊察看

因为 QPSK 有 4 种相位状况，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，则解调端会呈现相位含糊状况，对应 QPSK 的 4 种相位状况，只有 1 种状况能够正确解调，其余 3 种均会呈现相位含糊状况（别离为 I 路反向，Q 路反向，I 和 Q 路信号交换），试验中咱们用上面办法观测相位含糊的景象。

I 路反向，Q 路正向的状况，其对应的解调信号如下：

I 路反向，Q 路反向的状况，其对应的解调信号如下：

I 路正向，Q 路反向的状况，其对应的解调信号如下

I 路正向，Q 路正向的状况，其对应的解调信号如下

通过试验后果可知，如果 Q 路反相后会呈现重大的相位含糊状况，解决办法是采纳 DQPSK 形式。

3. DQPSK 调制观测

（1）基带数据设置及时域观测

应用示波器别离察看 2P6 和 2TP8，应用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为“15-PN”“128K”，点击“设置”进行批改。观测基带数据的变动，了解并把握基带数据设置的根本办法。

（2）基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器别离观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5，和 2P6 基带数据进行比照，剖析其对应关系及速率变动状况。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

应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）比照，剖析差分编码输入是否正确

应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）比照，可见差分编码输入正确。

（4）DQPSK 解调及相位含糊察看

之前在 QPSK 试验中，咱们晓得 QPSK 解调存在相位含糊的状况，上面剖析一下 DQPSK 的相位含糊状况。

由上图可知，左右二者雷同，且无其余相位含糊状况，可见 DQPSK 解决了相位含糊的问题。