【正文】 基礎(chǔ)上，數(shù)字通信中調(diào)制解調(diào)算法的實現(xiàn)已不再是一件可望不可及的事情?？梢哉f，無論是通信系統(tǒng)的內(nèi)在要求（即算法復(fù)雜性決定接收的質(zhì)量），還是外在條件（技術(shù)和工藝）都在促使通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)向數(shù)字化發(fā)展。 QPSK 是目前衛(wèi)星、微波和有線電視上行通信中最常用的一種單載波調(diào)制方 式，在電路上實現(xiàn)比較簡單，其頻帶利用率 高，是 BPSK 的兩倍，具有較強的抗 干擾性，當發(fā)射功率一定時，和 BPSK 的誤碼率相同。 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的概述 數(shù)字信號調(diào)制是用基帶數(shù)字信號控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號變換為頻帶數(shù)字信號的過程，數(shù)字信號的調(diào)制設(shè)備包括數(shù)字信號處理 (編碼 )單元和調(diào)制單元。 首先將模擬信號數(shù)字化，然而數(shù)字信號序列進行編碼碼流是不能或不適合直接通過傳輸信道進行傳輸?shù)?，必須?jīng)過某種處理，使之變成適合在規(guī)定信道中傳輸?shù)男问?。在通信原理上，這種處理稱為信道編碼，一般包括擾碼， RS 編碼，卷積交織，卷積編碼這幾部分 ；有關(guān)調(diào)制單元的調(diào)制類型的分類： (1)按數(shù)據(jù)類型數(shù)字調(diào)制可分為二進制調(diào)制和多進制調(diào)制兩種。 (2)按已調(diào)信號的結(jié)構(gòu)形式可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種。 (3)按數(shù)字調(diào)制方式分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。 數(shù)字通信解調(diào)設(shè)備的構(gòu)成如圖 1． 2 所示，主要包括解調(diào)單元、信碼再生單元和譯碼單元。其中，載波同步和定時同步是解調(diào)器的 2 個核心單元，它們直接決定著解調(diào)器的誤碼性能。 在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機的解調(diào)單元都是用模擬處理方法和器件實現(xiàn)的。其中，共同之處在于使用了模擬濾波器、鑒相器 (乘法器 )和壓控振蕩器 (VCO)。這種傳統(tǒng)的模擬解調(diào)單元電路體積大、形式復(fù)雜；調(diào)試周期長而且受人為因素影響大：器件內(nèi)部噪聲大，易受環(huán)境影響，可靠性差；因此，這種傳統(tǒng)的接收機不能完全發(fā)揮數(shù)字通信的優(yōu)勢，不能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的最佳接收。 解調(diào)單元的載波同步和定時同步將完全在數(shù)字部分完成，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位置西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 決定了接收機的數(shù)字化程度。在全數(shù)字解調(diào)中，幾乎所有的模擬解調(diào)單元和器件都可以對應(yīng)地找到它的數(shù)字化形式，如數(shù)字濾波器 (FIR 或 IIR)、全數(shù)字乘法器 和數(shù)控振蕩器等。但全數(shù)字解調(diào)并不是簡單的將模擬解調(diào)中的器件全部數(shù)字化，它具有以下的特點 ： (1)電路結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試； (2)可以使用復(fù)雜的算法，從而實現(xiàn)最佳的接收； (3)便于計算機輔助設(shè)計，實現(xiàn)電子設(shè)計自動化 (EDA)； (4)易于集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價格低廉。 QPSK 技術(shù)的概述 QPSK 是英文 Quadrature Phase Shift Keying 的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。 四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進制移相鍵控。 QPSK 是在 M=4時的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為 45176。 ， 135176。 ， 225176。 ， 275176。 ，調(diào) 制器 輸入的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)字序列，為了能和四進制的載波 相位 配合起來，則需要把二進制數(shù)據(jù)變換為四進制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進制數(shù)字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合，即 00， 01， 10， 11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。 QPSK 中每次調(diào)制可傳輸 2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。 在數(shù)字信號的調(diào)制方式中 QPSK 四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi) 星數(shù)字信號調(diào)制方式 ,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現(xiàn)也較為簡單。 在 HFC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，從用戶線纜調(diào)制解調(diào)器發(fā)往上行通道的數(shù)據(jù)采用QPSK 方式調(diào)制，并用 TDMA 方式復(fù)用到上行通道。 在有線電視系統(tǒng)中，衛(wèi)星（大鍋）輸出的就是 QPSK 信號。 在實際的調(diào)諧解調(diào)電路中，采用的是非相干載波解調(diào)，本振信號與發(fā)射端的載波信號存在頻率偏差和相位抖動，因而解調(diào)出來的模擬 I、 Q基帶 信號是帶有載波誤差的信號。這樣的模擬基帶信號即使采用定時準確的時鐘進行取樣判決，得到的數(shù)字信號也不是原來發(fā)射端的調(diào)制信號，誤差的積累 將導(dǎo)致抽樣判決后的誤碼率增大，因此數(shù)字 QPSK 解調(diào)電路要對載波誤差進行補償，減少非相干載波解調(diào)帶來的影響。此外， ADC 的取樣時鐘也不是從信號中提取的，當取樣時鐘與輸入的數(shù)據(jù)不同步時，取樣將不在最佳取樣時刻進行所得到的取樣值的統(tǒng)計信噪比就不是最高，誤碼率就高，因此，在電路中還需要恢復(fù)出一個與輸入符號率同步的時鐘，來校正固定取樣帶來的樣點誤差，并且準確的位定時信息可為數(shù)字解調(diào)后的信道糾錯解碼提供正確的時鐘。校正辦法是由定時恢復(fù)和載波恢復(fù)模塊通過某種算法產(chǎn)生定時和載波誤差，插 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT值或抽取器在定時和載波誤差信號的控制下 ，對 A/D轉(zhuǎn)換后的取樣值進行抽取或插值濾波，得到信號在最佳取樣點的值，不同芯片采用的算法不盡相同，例如可以采用據(jù)輔助法 (DA)載波相位和定時相位聯(lián)合估計的最大似然算 法。 本文的主要研究工作 本文 研究 的主要 內(nèi)容是利用軟件來實現(xiàn) QPSK 的調(diào)制與解調(diào)。本次課題利用的軟件是 MATLAB 軟件中自帶的 SIMULINK 仿真功能模塊 來進行對 QPSK 調(diào)制與解調(diào)過程的設(shè)計和仿真。其主要內(nèi)容包括： QPSK 的調(diào)制原理 和解調(diào)原理； SUMULINK 設(shè)計 QPSK 調(diào)制和 解調(diào) 仿真模型 ； QPSK 的 調(diào)制解 調(diào)過程 信號的時域變化過程 ； 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 第二章 QPSK 調(diào)制 與 解調(diào)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計 相移鍵控系統(tǒng)概述 相移鍵控是目前擴頻系統(tǒng)中大量使用的調(diào)制方式，也是和擴頻技術(shù)結(jié)合最成熟的調(diào)制技術(shù)，原則上看是一種線性調(diào)制。從基帶變換到中頻以及射頻，中間的頻譜搬移和信號放大需要一個要求較高的線性信道，因而，設(shè)計要求較高。 相移鍵控系統(tǒng)中，有待傳輸?shù)幕鶐?shù)字脈沖控制著載波相位的變化，從而形成振幅與頻率不變，而相位取離散值變化的己調(diào)波。 二進制相移鍵控 對于二迸制相移鍵控 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 來說，就是二進制的數(shù)字信號 0和 1分別用載波的 0 和 π 來表示。其表達式由公式 (21)給出： ( ) [ ( ) ] c o sB P S K n s cnS t a g t n T t???? (21) 式中， na 為二進制數(shù)字， ? 11na ? ?? (22) 四相相移鍵控 四相相移鍵控 QPSK是 MPSK 的一種特殊情況。它是利用載波四個不同的相位來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。 QPSK 信號可以表示為： ( ) [ ( ) ] c o s ( )Q P S K s c nnS t g t n T t??? ? ?? (23) 式中， c? 是載波的角頻率， n? 是第 k 個碼元的載波相位取值， ST 是一個發(fā)送碼元的持續(xù)時間，它將取可能的四種相位之一，甙 t)是發(fā)送碼元的波形函數(shù)。 n? 是可以取區(qū)問 (0， 2x)任何離散值的隨機變量，可取的個數(shù)由調(diào)制方式的進制來決定。在 QPSK 調(diào)制系統(tǒng)中，發(fā)送端可取的相位值為四個。 將上式展開，得到： ( ) [ ( ) c o s ] c o s [ ( ) s in ] s in cQ P S K s n c s nnnS t g t n T t g t n T t? ? ? ?? ? ? ??? (24) 概率為 P 概率為 1P The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT令 cosnnX ?? ， sinnnY ?? ，則兩者的取值是隨機的離散值，和選定的相位有關(guān)， 在星座圖的映射中對應(yīng)同相和正交分量，反映其在映射圖中的矢量位置。對于四種相位的選擇，存在 π /2體系和 n=π /4 體系。 π /2 體系對應(yīng) n=0， π /2， π ，3π /2 四個離散值。π /4 體系對應(yīng) n=π /4， 3π /4， 5π /4， 7π /4四個離散值。 從式 (2_4)可以看出，四相調(diào)制的波形，可以看成是對兩個正交載波進行二進制幅度調(diào)制的信號之和。從 nX 和 nY 的取值，容易發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的矢量約束關(guān)系，保證兩者合成的矢量點在落在同一圓周上。這個關(guān)系意味著，系統(tǒng)的非線形失真對QPSK系統(tǒng)的可靠性影響很小。 QPSK 調(diào)制的工作原理 QPSK 信號 有 00、 0 11 四種狀態(tài)。所以 ,對輸入的二進制序列 ,首先必須分組 ,每兩位碼元一組。然后根據(jù)組合情況 ,用載波的四種相位表征它們。 QPSK 信號實際上是兩路正交雙邊帶信號 ,可由圖 。 圖 QPSK 調(diào)制原理圖 由圖 1，可以看出， QPSK是由兩路 BPSK 信 號構(gòu)成，且兩路信號相互正交 的 ,即相位差相差 90176。 ，兩路 BPSK 信號相加，即得到 QPSK 信號。圖 是比較常用的 QPSK調(diào)制方式。 串 /并 變 換 相乘 電路 相干載波產(chǎn)生 π /2 相移 相乘 電路 相加 電路 輸入 信號 cos ct? 輸出 信號 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 QPSK 解調(diào)的工作原理 QPSK信 號是兩個正交的 2PSK信號的合成 ,所以可仿照 2PSK信號的相平解調(diào)法 ,用兩個正交的相干載波分別檢測 A 和 B 兩個分量 ,然后還原成串行二進制數(shù)字信號 ,即可完成。 原理圖如圖 所示 . 圖 QPSK 解調(diào)原理圖 相干解調(diào)中，正交路和同相路分別設(shè)置兩個相關(guān)器 (或匹配濾波器 )，得到 I(t) 和Q(t)，經(jīng)電平判決和并一串變換后即可恢復(fù)原始信息。當然，如果調(diào)制端是差分編碼的，那么解調(diào)中并串變換后還需一個差分解碼。 假如已調(diào)信號為 ( ) ( ) c os ( ) si nccQ P SKS t I t t Q t t????， I(t) 和 Q(t) 分別為和正交路， c? 為載波頻率，那么相干解調(diào)后，同相路相乘可得 ( ) ( ) c os [ ( ) c os ( ) si n ] c osc c c cQ P SKI t S t t I t t Q t t t? ? ? ?? ? ? 2( ) c os ( ) s i n c osc c cI t t Q t t t? ? ??? (25) ( ) s in 2 ( ) c o s 2 ( )2 2 2ccQ t t I t t I t??? ? ? 正交路為 低通 相乘 抽判 π /2 相乘 低通 抽判 并 /串 載波 提取 定時 提取 cos ct? sin ct? QPSK 信號 輸出 信號 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT( ) ( ) si n [ ( ) c os ( ) si n ] si nc c c cq Q P S KQ t S t t I t t Q t t t? ? ? ?? ? ? 2( ) si n c os ( ) si ncccI t t t Q t t? ? ??? (26) ( ) s in 2 ( ) c o s 2 ( )2 2 2ccI t t Q t t Q t??? ? ? 經(jīng)過低通濾波器后，可得 ? ()2 ()()2()t ItQtQq tIt ?? (27) 經(jīng)過判決電路后，由上式，不難得到如下表所示結(jié)果（同相路和正交路是經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換的， 1對應(yīng)于二進制數(shù)據(jù) 1， 1對應(yīng)于二進制數(shù)據(jù) 0）。 解調(diào)過程中涉及到信號的采樣、數(shù)字下變頻、載波同步、位同步等關(guān)鍵技術(shù)。 信號的采樣是模 擬信號與數(shù)字信號之間的一個通道，是數(shù)字化解調(diào)過程中一個及其關(guān)鍵的步驟。 數(shù)字下變頻 DDC(Digital Down Converter)是隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，目前大量使用在數(shù)字中頻技術(shù)中，它的根本任務(wù)就是實現(xiàn)數(shù)字中頻到基帶信號的變換。數(shù)字下變頻的組成與模擬下變頻器類