【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (2)按已調(diào)信號(hào)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 12 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(shí)同步是解調(diào)器的 2 個(gè)核心單元，它們直接決定著解調(diào)器的誤碼性能。 圖 12 數(shù)字通信解調(diào)系統(tǒng)框圖 在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的解調(diào)單元都是用模擬處理方法和器件實(shí)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 (VOC)。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(zhǎng)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(jī)不能完全發(fā)揮數(shù)字通信的優(yōu)勢(shì)，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的最佳接收。解調(diào)單元的載波同步和定時(shí)同步將完全在數(shù)字部分完成，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位置決定了接收機(jī)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(duì)應(yīng)地找到它的數(shù)字化形式，如數(shù)已調(diào)信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 編碼后數(shù)據(jù) 數(shù)字化 編碼單元 調(diào)制單元 模擬信號(hào) 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 字濾波器 (FM或 FIR)、全數(shù)字乘法器和數(shù)控振蕩器 （ NCO） 等。但全數(shù)字解調(diào)并不是簡(jiǎn)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(diǎn)： (1)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試； (2)可以使用復(fù)雜的算法，從而實(shí)現(xiàn)最佳的接收； (3)便于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電子 設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA)； (4)易于集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格低廉。 課題的主要研究工作 研究 QPSK 的基本原理； 在此原理基礎(chǔ)上來(lái)研究 QPSK 解調(diào)的中頻數(shù)字下變頻、載波同步和位同步； 掌握 systemview 軟件的使用方法 ， 完成 QPSK 中頻調(diào)制解調(diào)器各個(gè)模塊基于systemview 的仿真 ； 解決調(diào)制器的安全性和可靠性問(wèn)題，分析系統(tǒng)性能問(wèn)題； 對(duì) 系統(tǒng)誤碼率和眼圖 分析，從而判定系統(tǒng)的性能； 探討 QPSK 在實(shí)際生活中的應(yīng)用。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 QPSK 調(diào)制解調(diào) 原理及系統(tǒng)組成 QPSK 調(diào)制解調(diào)原理及系統(tǒng)組成 相移鍵控是目前擴(kuò)頻系統(tǒng)中大量使用的調(diào)制方式，也是和擴(kuò)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(hào)放大需要一個(gè)要求較高的線性信道，因而，設(shè)計(jì)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。 QPSK 調(diào)制器可以看成由兩個(gè) 2PSK 調(diào)制器構(gòu)成，輸入的串行二進(jìn)制序列經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后，分成兩路速率減半的序列，然后經(jīng)過(guò)極性轉(zhuǎn)換后變成兩路雙極 性二電平信號(hào)， )(tI 和 )(tQ ，然后跟 t0cos? 和 t0sin? 相乘進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到 QPSK 信號(hào)。相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。 二進(jìn)制相移鍵控 對(duì)于二進(jìn)制相移 鍵控 （ 2PSK） 來(lái)說(shuō)，通常用初始相位 0和 ? 分別表示二進(jìn)制“ 1”和“ 0”。 tnTtgaSn snps k 02 c os])([ ?? ?? （ 21） 式（ 21）中， )(tg 是脈寬為 sT 的單個(gè)矩形脈沖， na 為二進(jìn)制數(shù)字， ??? ???? pa n 11 p1 概率為 概率為 四相相移鍵控 四相相移鍵控是利用載波四個(gè)不同的相位來(lái)表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。 QPSK信號(hào)可表示為： )c os (])([0 nn sQ P S K tnTtgS ?? ??? ? （ 22） 式 （ 22） 中， 0? 是載波的角頻率， n? 是第 n個(gè)碼元的載波相位取值， sT 是發(fā)送一碼元的持續(xù)時(shí)間，它將取可能的四種相位之一， )(tg 是發(fā)送碼元的波形函數(shù)。 n? 是可以取區(qū)間 (0 ， ?2 )任何離散值的隨機(jī)變量，可取的個(gè)數(shù)由調(diào)制方式的進(jìn)制來(lái)決定石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 在 QPSK調(diào)制系統(tǒng)中，發(fā)送端可取的相位值為四個(gè)。 將式（ 22）展開(kāi)，得到： tnTtgtnTtgtSn nsn nsQ P S K 00 s i n]s i n)([c os]c os)([)( ???? ?? ???? (23) 令 nnX ?cos? ， nnY ?sin? ，則 兩者 的取值是隨機(jī)的離散值，和選定的相位有關(guān)， 在星座 圖的映射中對(duì)應(yīng)同相和正交分量，反映其在映射圖中的矢量位置。 對(duì)于四種相位的選擇，存在 2/? 體系和 4/? 體系。 2/? 體系對(duì)應(yīng) 0?n ， 2/? ，? ， 2/3? 四個(gè)離散值。 4/? 體系對(duì)應(yīng) 4/??n ， 4/3? ， 4/5? ， 4/7? 四個(gè)離散值。 從式 (23)可以看出，四相調(diào)制的波形，可以看成是對(duì)兩個(gè)正交載波進(jìn)行二進(jìn)制幅度調(diào)制信號(hào)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(diǎn)在落在同一圓周上。這個(gè)關(guān)系意味著，系統(tǒng)的非線形失真對(duì) QPSK系統(tǒng)的可靠性影響很小。 在 QPSK 中，數(shù)字序列相繼兩個(gè)碼元的 4 種組合對(duì)應(yīng) 4 個(gè)不同相位的正弦載波，即 00、 0 11 分別對(duì)應(yīng) )4cos(0 ?? ?tA， )4cos(0 ?? ?tA， )43cos(0 ?? ?tA， )43cos(0 ?? ?tA ， 其中 Tt 20 ?? ， T 為比特周期。圖 21(a)是 QPSK 相位矢量圖，圖中 I 表示同相信號(hào)， Q 表示正交信號(hào)。圖 21(b)是 QPSK 星座圖，星座圖中星座間的距離越大，信號(hào)的抗干擾能力就越強(qiáng)，接收端判決再生時(shí)就越不容易出現(xiàn)誤碼。星座間的最小距離表示調(diào)制方式的歐幾里德距離，歐幾里德距離 d 可表示為信號(hào)平均功率S 的函數(shù)。 QPSK 信號(hào)的歐幾里德距離與平均功率的 關(guān)系為 Sd 2? 。 (a) QPSK 相位矢量圖 (b) QPSK 星座圖 圖 21 QPSK的矢量圖和星座圖 QPSK 調(diào)制的方案 (1)相位選擇法。直接用數(shù)字基帶信號(hào)選擇具有所對(duì)應(yīng)相位的載波信號(hào)產(chǎn)生 QPSK石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 信號(hào)的方法稱為相位選擇法。相位選擇法使用的載波是方波。實(shí)現(xiàn)框圖如圖 22，其調(diào)制器由串并變換電路、相位選擇電路、 四 相載波發(fā)生器和帶通濾波器組成，加上碼型變換器就可以實(shí)現(xiàn) QDPSK信號(hào)調(diào)制。 圖 22 QPSK相位選擇法調(diào)制框圖 (2)直接調(diào)相法。直接調(diào)相法也稱為正交調(diào)制法。圖 23是直接調(diào)相法產(chǎn)生 QPSK信號(hào)的框圖。它由串并變換電路、相乘器、移相器、載波發(fā)生器和相加器組成。而且在直接調(diào)相法的基礎(chǔ)上增加差分編碼器就可以產(chǎn)生 QDPSK信號(hào)。直接調(diào)相法產(chǎn)生QDPSK信號(hào)的框圖，采用了 2/? 體系。按 2位二進(jìn)制數(shù)組進(jìn)行輸入，串并變換器將 2位串行輸入數(shù)掘轉(zhuǎn)換為 2位并行數(shù)據(jù) a、 b， a、 b碼元寬度加倍并且在時(shí)間上同步。差分編碼器將絕對(duì)碼 元 a、 b轉(zhuǎn)換為相對(duì)碼元然后通過(guò)極性變換器轉(zhuǎn)換為雙極性碼元，進(jìn)入相乘器最后經(jīng)過(guò)相加器得到 QDPSK己調(diào)波信號(hào) [1]。 圖 23 QPSK直接調(diào)相法調(diào)制框圖 由圖 23 可知， QPSK 是由兩路 2PSK 信號(hào)構(gòu)成，且兩路信號(hào)相互正交的，即相位差相差 090 ，兩路 2PSK 信號(hào)相加，即得到 QPSK 信號(hào)。該調(diào)制是比較常用的 QPSK石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 調(diào)制方式。 圖 24 QDPSK直接調(diào)相法調(diào)制框圖 (3)插入脈沖法。 通過(guò)在三 級(jí)級(jí)聯(lián)分頻器中插入受控脈沖改變分頻狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)載波相位變化，插入脈沖法的載波也采用方波。 本文采用了直接調(diào)相法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 QPSK 解調(diào)原理及方案 QPSK信號(hào)的解調(diào)常用的有相干正交解調(diào)法和差分正交解調(diào)法兩種： (1)相干 正交解調(diào)法。由多相調(diào)制器工作原理可知， QPSK 信號(hào)可以看作是由兩個(gè)正交 2PSK 信號(hào)合成得到的，相干正交解調(diào)法的原理是用兩個(gè)正交的本地相干載波信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，其解調(diào)器框圖如圖 25 所示。相干正交解調(diào)法也稱為極性比較法，其解調(diào)器由帶通濾波器、相乘器、相干載波發(fā)生器、移相器、低通濾波器 、抽樣判決器和并串變換電路構(gòu)成 [1]。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 25 QPSK相干正交解調(diào)法原理框圖 圖 25中， QPSK調(diào)制信號(hào)先通過(guò)帶通濾波器濾除帶外干擾信號(hào)，分為三路，一路進(jìn)入相干載發(fā)生器提取本地相干載波，另外兩路輸入到相乘器。相干載波發(fā)生器產(chǎn)生的相干載波 to?cos 路直接進(jìn)入相乘器與 QPSK調(diào)制信號(hào)相乘，另一路進(jìn)入移相器進(jìn)行了 2/? 移相，產(chǎn)生與相干載波 to?cos 正交的載波信號(hào) to?sin ，進(jìn)入第二個(gè)相乘器與QPSK調(diào)制信號(hào)相乘。兩個(gè)相乘器輸出的兩路信號(hào)通過(guò)低通濾波器和抽樣判決器得到兩路信號(hào)，然后通過(guò)并串變換電路還原出二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)。 相干解調(diào)中，正交路和同相路分別設(shè)置兩個(gè)相關(guān)器 (或匹配濾波器 )，得到 )(tI 和)(tQ ，經(jīng)電平判決和并串變換后即可恢復(fù)原始信息。當(dāng)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(gè)差分解碼。 假如已調(diào)信號(hào)為 ttQttItS ooQP S K ?? s i n)(c o s)()( ?? ， )(tI 、 )(tQ 分別為同相路和正交路， o? 為載波頻率，那么相干解調(diào)后，同相路相乘可得 tttQttItwtStI ooooQ P S K ??? c os]s i n)(c os)([c os)()(1 ??? tttQttI ooo ??? c o ss i n)(c o s)( 2 ?? （ 24） 2 )(2 2c os)(2 2s i n)( tIttIttQ oo ??? ?? 正交路為 tttQttIttStQ ooooQP S K ???? s i n]s i n)(c o s)([s i n)()(1 ??? ttQtttI ooo ??? 2s i n)(c o ss i n)( ?? （ 25） 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 2 )(2 2c os)(2 2s i n)( tQttQttI oo ??? ?? 經(jīng)低通濾波器后，可得 2)()(1 tItI ? 2 )()(1 tQtQ ? （ 26） 經(jīng)過(guò)判決電路后，由式（ 26），不難得到如下所示結(jié)果（同相電路和正交電路是經(jīng)過(guò)極性轉(zhuǎn)換的， 1對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)據(jù) 1， 1對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)據(jù) 0） 當(dāng) 1)(,1)( ???? tQtI 時(shí) )(1tI ＝ 2/1? ， 2/1)(1 ??tQ ，判決后 0)(,0)( ?? tQtI ；當(dāng)1)(,1)( ??? tQtI ，時(shí) 2/1)(1 ??tI ， 2/1)(1 ?tQ ，判決后 1)(,0)( ?? tQtI ；1)(,1)( ??? tQtI 時(shí)， 2/1)(1 ?tI ， 2/1)(1 ??tQ ，判決后 0)(,1)( ?? tQtI ； 1)(,1)( ?? tQtI時(shí)， 2/1)(1 ?tI ， 2/1)(1 ?tQ ，判決后 1)(,1)( ?? tQtI 。 相干正交解調(diào)法解調(diào) 4PSK 信號(hào)，由于在接收端也要恢復(fù)相干載波，因此存在相位模糊的問(wèn)題，解決方法是采用多進(jìn)制相對(duì)碼來(lái)表示多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)，然后進(jìn)行4PSK 絕對(duì)移相調(diào)制得到 4DPSK 信號(hào)；在解調(diào)器對(duì) 4DPSK 信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)和差分譯碼恢復(fù)出原始數(shù)字基帶信號(hào)。 (2)差分正 交解調(diào)法。 4DPSK 信號(hào)可以使用差分檢測(cè)法對(duì)兩個(gè)正交的相干載波進(jìn)行差分檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，這種方法也稱為相位比較器。 4DPSK 差分解調(diào)器原理框圖如圖 26 所示。調(diào)制器由帶通濾波器、延遲器、移相器、低通濾波器、抽樣判決器和并串變換器組成。 圖 26 QPSK差分解調(diào)法原理框圖 差分檢測(cè)法解調(diào) QPSK信號(hào)的原理是對(duì)輸入的已調(diào)波信號(hào) )(tSQPSK進(jìn)行延遲和移相產(chǎn)生兩路相互正交的相干載波信號(hào)，然后分別于己調(diào)波信號(hào) )(tSQPSK相乘，之后通過(guò)低通濾波和抽樣判決恢復(fù)出 A、 B信號(hào)，再進(jìn)行并串變換電路得到二進(jìn)制數(shù)字基帶石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 信號(hào) [1][3]。 解調(diào)過(guò)程中涉及到信號(hào)的采樣、數(shù)字下變頻、載波同步、位同步等關(guān)鍵技術(shù)。 本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用相干正交解調(diào)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 QPSK 解調(diào)的中頻數(shù)字下變頻、載波同步、位同步 數(shù)字下變頻 數(shù)字下變頻 DDC(Digital Down Converter)是隨著數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)數(shù)字中 頻到基帶信號(hào)的變換。數(shù)字下變頻的組成與模擬下變頻器類似，包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器(NCO)和低通濾波器 (LPF)三部分組成。影響數(shù)字下變頻器性能的主要因素有兩個(gè)：一是表示數(shù)字本振、輸入信號(hào)以及混頻乘法運(yùn)算的樣本數(shù)值的 有限字長(zhǎng)所引起的誤差；二是數(shù)字本振相位分辨率不夠而引起數(shù)字本振樣本數(shù)值的近似取值。也就是說(shuō)，數(shù)字混頻器和數(shù)字本振的數(shù)據(jù)位數(shù)不夠?qū)挘嬖谖矓?shù)截?cái)嗟那闆r；數(shù)字本振相位的樣本值存在近似的情況。它主要涉及數(shù)振蕩器 NCO，抽取濾波器等技術(shù)。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，解調(diào)器的任務(wù)是恢復(fù)出傳輸來(lái)的原始數(shù)據(jù) 系列。解調(diào)器的構(gòu)成方案通?？梢苑譃閮深悾和浇庹{(diào)和異步解調(diào)。兩者的區(qū)別在于，同步解調(diào)需要一個(gè)相干同步的本地載波。一般地說(shuō)，同步解調(diào)性能較為優(yōu)良。但是，對(duì)于抑制載波分量的調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，要從接收的信號(hào)中恢復(fù)出參考載波，必須進(jìn)行相應(yīng)的處理。 在數(shù)字通信中，除了載波同步外，還需要位同步。因?yàn)橄⑹且淮B續(xù)的碼元系列，解調(diào)時(shí)必須知道碼元的起止時(shí)刻，即碼同步。位同步可分為自同步和外同步兩種。自同步是直接從接收的信號(hào)中提取位同步信息，而位同步是在發(fā)射端專門(mén)發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào)的。例如，在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)，插入所需的導(dǎo)頻信號(hào)， 在接收端，利用窄帶濾波器，就可以從解調(diào)后的基帶信號(hào)中提取所需的同步信息。插入導(dǎo)頻也可以使數(shù)字信號(hào)的包絡(luò)，隨同步信號(hào)的某種波形而變化。在相移或頻移鍵控時(shí)，在接收端只要進(jìn)行包絡(luò)檢波就可得到同步信號(hào)。 載波同步 載波同步電路又稱載波恢復(fù)電路，用來(lái)從接收信號(hào)中提取相干解調(diào)所需要的參考載波。這個(gè)參考載波要求與接收到的信號(hào)中的被調(diào)載波同頻同相。接收端恢復(fù)相干載波的方法一般分為兩類：一類是在發(fā)端，在發(fā)送數(shù)字信息流的同時(shí)發(fā)送載波或與它有關(guān)的導(dǎo)頻信號(hào)，稱為插入導(dǎo)頻法；另一類是從接收的已調(diào)信號(hào)中提取出載波，稱為直接 法。載波同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是高效率和高精度。所謂高效率是為了獲得載波石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 信號(hào)而盡量少消耗發(fā)送功率 [2]。 插入導(dǎo)頻法分為頻域插入導(dǎo)頻和時(shí)域插入導(dǎo)頻。 (1)頻域插入導(dǎo)頻 圖 27 插入導(dǎo)頻法的發(fā)送端方框圖 )(tS 代表數(shù)字信號(hào)，由于基帶信號(hào)中存在直流分量和極低頻成分。經(jīng)調(diào)制后頻譜將非?？拷d波，這樣在載波處再加入載波導(dǎo)頻將會(huì)受到干擾，使接收端提取純凈的載波有困難。所以為了在載頻位置插入導(dǎo)頻，對(duì)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)先進(jìn)行變換，使其頻譜中 的直流和相鄰的低頻信號(hào)濾除或衰減，然后經(jīng)低通濾波器加給環(huán)型調(diào)制器，由帶通濾波器取出上、下邊帶送給加法器。同時(shí)送給加法器的還有載波移移 90度后得到的t?sin 。發(fā)送端必須正交插入導(dǎo)頻，不能加入 t?cos 導(dǎo)頻信號(hào)，否則接收端解調(diào)后會(huì)出現(xiàn)直流分量，這個(gè)直流分量無(wú)法用低通濾波器濾除，將對(duì)基帶信號(hào)的提取產(chǎn)生影響。 接收端提取載波的方框圖如圖 28 所示。接收端實(shí)際上收到的是 經(jīng)過(guò)信道失真和噪聲干擾后的信號(hào)。接收信號(hào)中包含有導(dǎo)頻的信號(hào)，用一窄帶濾波器取出并移相 90度得到，再用它去解調(diào)輸入信號(hào) [3]。 圖 28 接收端提取載波的方框圖 (2)時(shí)域插入導(dǎo)頻。時(shí)域插入導(dǎo)頻法的時(shí)間分配關(guān)系如圖 29 所示。在每一幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，除了有一定位數(shù)的數(shù)字信息外，還要傳送為同步信號(hào)、幀同步信號(hào)和載波同步信號(hào)。在接收端把載波標(biāo)準(zhǔn)提取出來(lái)，同本地振蕩器進(jìn)行比較。若二者相位不同，則產(chǎn)生誤差電壓。