【正文】 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 第 4 章 QPSK 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 167。在符號(hào)同步時(shí)，河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 DDS將輸出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，同步于接收信號(hào)的符號(hào)速率。若 DDS產(chǎn)生的時(shí)鐘是最佳定時(shí)相位，即? =? 0， 則為 0；若 ? 超前于 ? 0，則 3()ty 是負(fù)的；若 ? 滯后于 ? 0，則 3()ty 是正的。 但是在未同步時(shí)的采樣相位 ? ?? 0，此時(shí)的超前采樣為 ()sy nT? ? ?? ，滯后采樣為 ()sy nT? ? ?? ，分別將他們?nèi)ㄕ?，得?的 ︱ ()sy nT? ? ?? ︱ 及︱ ()sy nT? ? ?? ︱。在圖 312中，用 ()yt 表示接收濾波器的輸出信號(hào)波形，假設(shè)在眼圖張開(kāi)最大時(shí) 進(jìn)行采樣，即在最佳時(shí)刻進(jìn)行采樣，得到的采樣值 ()sy nT?? ， ? 是最佳定時(shí)相位。 通過(guò)示波器可以觀察到，信號(hào)的脈沖波形對(duì)稱(chēng)于最佳采樣時(shí)刻。 超前 滯后門(mén)同步器的性能優(yōu)于鎖相環(huán)法，其結(jié)構(gòu)如圖 312所示。在這種條件下，適當(dāng) 的采樣時(shí)刻應(yīng)該在 t=T△和 t=T+△之間的中點(diǎn)上。 ()stA0 匹 配 濾 波 器 輸 出早 采 樣最 佳 采 樣遲 采 樣a（ ） 矩 形 信 號(hào) 脈 沖（ b) 匹 配 濾 波 器 輸 出Tt 0TT??TT??2Tt圖 311 超前 滯后符號(hào)同步算法 在噪聲存在的情況下，如果沒(méi)有在峰值點(diǎn)對(duì)信號(hào)采樣，而在 t=T△時(shí)早采樣，在 t=T+△時(shí)延采樣。對(duì)于圖 311（ a）所示的矩陣脈沖，匹配濾波器的輸出在 t=T時(shí)達(dá)到最大值，如圖 311（ b）所示。因此，將接收信號(hào)平方后，通過(guò)一個(gè)窄帶帶通濾波器即可將時(shí)鐘分量濾除出來(lái)，而這個(gè)窄帶濾波器一般都使用鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 1 鎖相環(huán)法 由于信號(hào)分量 s（ t）的信息符號(hào)均值為 0，即 [ ] 0nEb? ，所以 ()st 的功率密度中無(wú)離散的時(shí)鐘分量 ，故不能直接用 s（ t）來(lái)產(chǎn)生 1/Ts的離散時(shí)鐘分量，但是 2()st的數(shù)學(xué)期望 2[ ()]Es t 是周期的，其周期為 Ts，因此可利用 E[s2(t)]來(lái)產(chǎn)生離散的時(shí)鐘分量。如果記 ()st 為接收信號(hào)中的信號(hào)中的有效信號(hào)分量，則 ()st = )( 0????????nT sthbn n （ 38） s（ t）的均值為 0，其自相關(guān)函數(shù)是周期的，且周期為 Ts。接收端用鎖相環(huán)提取出同步信號(hào)并保持它，就可以對(duì)繼之而來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解調(diào)。圖中兩個(gè)移相器都用來(lái)消除由窄帶濾波器等引起的相移，這兩個(gè)相移器可以合用。接收端的結(jié)構(gòu)如圖 39（ b）所示，從圖中可以看到，由窄帶濾 波器取出的導(dǎo)頻 fb/2經(jīng)過(guò)移相和倒相后，再經(jīng)過(guò)相加器把基帶數(shù)字信號(hào)中的導(dǎo)頻成分抵消。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 相 關(guān) 編 碼 器 相 加 調(diào) 制cf /2 位 同 步 導(dǎo) 頻a（ ）()mt 39。這時(shí)，位同步脈沖的周期與插入導(dǎo)頻的周期是一致的；對(duì)于圖 38（ b）所示的情況， 窄帶濾波器的中心頻率應(yīng)為 f=1/（ 2Tb），因?yàn)檫@時(shí)同步脈沖的周期為插入導(dǎo)頻周期的 1/2，故需將插入導(dǎo)頻 2倍頻，才獲得所需的位同步脈沖。若經(jīng)某種相關(guān)編碼處理后的基帶信號(hào)，其頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)在 f=1/（ 2T）處時(shí)，插入導(dǎo)頻信號(hào)就應(yīng)在 1/（ 2Tb）處，如圖 38（ b）所示。 若基帶信號(hào)為隨機(jī)的二進(jìn)制不歸零碼序列，這種信號(hào)本身不包含為同步信號(hào)，為了獲得為同步信號(hào)需在基帶信號(hào)中插入位同步的導(dǎo)頻信號(hào)，或者對(duì)該基帶信號(hào)進(jìn)行某種碼型變換以得到位同步信息。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 一、 插入導(dǎo)頻符號(hào)同步法 為了得到符號(hào)的定時(shí)信號(hào)，首先要確定接收到的信息數(shù)據(jù)中是否包含有位定時(shí)的頻率分量。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是發(fā)射機(jī)必須 分配某些發(fā)射功率來(lái)發(fā)射時(shí)鐘信號(hào)，另外，還必須分配小部分信道帶寬供信號(hào)發(fā)射。另外還有插入導(dǎo)頻法和直接法兩類(lèi)。在實(shí)際中，由于收發(fā)時(shí)鐘之間存在時(shí)鐘漂移，為此，接收機(jī)的 恢復(fù)時(shí)鐘 必須實(shí)時(shí)地調(diào)整其時(shí)鐘頻率和定時(shí)相位來(lái)補(bǔ)償頻率漂移，以確保對(duì)解調(diào)輸出的信號(hào)采樣瞬時(shí)的最佳化。因此，要設(shè)計(jì)從接收信號(hào)中提取時(shí)鐘，使它與收到的數(shù)字符號(hào)符號(hào)的速率同步，這樣，才能得到準(zhǔn)確的采樣瞬時(shí)。 符號(hào)同步 在實(shí)際的數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于接收機(jī)本地振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘與發(fā)送端本地振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘是相互獨(dú)立的，所以 ，兩者在頻率及相位上是有差異的。 如圖 37所示，鎖相環(huán)中的鑒相器、環(huán)路濾波器和 DDS模塊都可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。 Z 1輸 入C L KC1C2 輸 出圖 37 二階數(shù)字環(huán)路濾波器的的結(jié)構(gòu)圖 下面直接給出環(huán)路濾波器參數(shù) C1和 C2的計(jì)算式。當(dāng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差保持固定值時(shí)，認(rèn)為環(huán)路 處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的頻率完全相同。數(shù)字合成器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)通過(guò)鑒相器進(jìn)行鑒相，產(chǎn)生一個(gè)與兩信號(hào)相位差有關(guān)的誤差信號(hào)，然后通過(guò)環(huán)路濾波器濾除誤差信號(hào)中的高頻分量和噪聲，取出緩慢變化的直流分量控制振蕩器的頻率，使輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間保持一個(gè)較小不變的相差。所以在實(shí)際中，要通過(guò)分差相位調(diào)制等方法來(lái)克服這個(gè)缺點(diǎn)。雖然期望鎖相環(huán)的輸出為 cos2 cwt ，但由于頻分器件的不確定性，得到的輸出為 cos cwt或者 cos( cwt?π） 。 平 方 律器 件鑒 相 器環(huán) 路濾 波 器D D S二 分頻 器輸 入 已 調(diào)信 號(hào) 載 波輸 出圖 36 平方環(huán)法提取載波 鎖相環(huán)在功能上等價(jià)于一個(gè)非常窄的窄帶濾波器，可以很好地提取所需河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 的載波分量。 平 方 律器 件二 分頻 器2 cw 窄 帶 濾 波 器輸 入 已調(diào) 信 號(hào) 載 波輸 出e(t)圖 35 窄帶濾波提取載波的原理框圖 為了改善平方變換法的性能，使恢復(fù)的相干載波更為純凈，圖 35中的窄帶濾波器常用鎖相環(huán)代替，構(gòu)成 36所示的方框圖，成為平方環(huán)法提取載波。從上式可以看出，只要通過(guò)一個(gè)窄帶濾波器就可以從 e（ t）中提取一個(gè) 2 cw 的頻率分量，再經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻器就可以得到想要的頻率成分，也就是所需要的同步載波。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 二、 直接載波同步法 常用的直接載波同步法有 平方 環(huán) 載波同步法和科斯塔斯環(huán)載波同步法，下面簡(jiǎn)述介紹一下平方環(huán)載波同步法的原理 。 2PSK和 DSB信號(hào)都屬于抑制載波的雙邊帶信號(hào)，所以上述插入導(dǎo)頻方法對(duì)兩者均使用。由圖 34可知，解調(diào)輸出為 v(t) = twtwatwtamtwtu ccc s i nc o ss i n)(s i n)( 220 ?? = twatwtmatmacc 2s i n22c os)(2)(2 ?? （ 32） 經(jīng)過(guò)低通濾除高頻部分后，就可恢復(fù)調(diào)制信號(hào) m（ t）。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 相 乘調(diào) 制帶 通 相 加9 0 176。設(shè)調(diào)制信號(hào)，m（ t）中無(wú)直流量，被調(diào)載波為 a twcsin ，將它經(jīng)過(guò) 90度移相成插入導(dǎo)頻（正交載波） cwacos ，其中 a是插入導(dǎo)頻的振幅。 由圖 32可見(jiàn)，在 cf 附近頻譜函數(shù)很小，且沒(méi)有離散譜，這樣可以在 cf 處插入頻譜 cf 的導(dǎo)頻。 所謂插入導(dǎo)頻，就是在已調(diào)信號(hào)頻譜中額外插入一個(gè)低功率的線譜，以便接收端將其作為載波同步信號(hào)加以恢復(fù)，以線譜對(duì)應(yīng)的正弦波成為導(dǎo)頻信號(hào)。這對(duì)這些信號(hào)的載波提取，就可以用插入導(dǎo)頻法。 一、 導(dǎo)頻載波同步法 插入導(dǎo)頻法，即在發(fā)送調(diào)制信號(hào) 時(shí)插入載波分量，使調(diào)制信號(hào)本身帶有載波分量，接收端直接用窄帶濾波和鎖相環(huán)捕捉跟蹤來(lái)提取載波。插入導(dǎo)頻法需要在發(fā)送的信息序列中插入導(dǎo)頻序列，這就需要系統(tǒng)分配一定的功率給導(dǎo)頻信號(hào)，因此分配給信息序列的功率也相應(yīng)降低。 載波提取的目的是要在接收端建立一個(gè)和發(fā)送信號(hào)完全一致（同頻同向）的本地載波（成為相干載波或同步載波）。但卻是固定的，如果接收端已知其數(shù)值，則這兩個(gè)載波 在實(shí)質(zhì)上是同步的。比如電磁波的行程相位（一個(gè)波長(zhǎng)的距離對(duì)應(yīng) 2π相移），繞 射、反射、散射引起的附加相移等，另外多普勒現(xiàn)象也會(huì)引起頻率抖動(dòng)； 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 通常 θ（ t）相對(duì)于信息信號(hào)時(shí)緩慢變化的，因此經(jīng)常寫(xiě)成 2]cft???cos[ 的形式。 θ（ t） 叫做相位抖動(dòng)或者相位噪聲， d θ（ t） /（ 2π d t） 為頻率抖動(dòng) 。也就是說(shuō)，如果用雙蹤示波器來(lái)看這兩個(gè)信號(hào)，以本地載波作為 0相，觀察到發(fā)送載波和本地載波之間存在相位差 θ（ t）。 載波同步 相干解調(diào)要求本地載波和發(fā)送載波同頻同 相 。符號(hào)同步目的的是使接收端得到與發(fā)送端周期相同的符號(hào)序列，并確定每個(gè)符號(hào)的起止時(shí)刻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)塊同步或同步；按照同步方式分類(lèi)按照傳輸信息方式的不同，可以分為導(dǎo)頻輔助同步方法 和盲同步法兩種。按照同步功能可分為載波同步和符號(hào)同步兩種。 同步的分類(lèi) 同步的種類(lèi)很多，按不同的分類(lèi)準(zhǔn)則，可以將同步分為多種類(lèi)型。 相 移低 通 濾 波低 通 濾 波抽 樣 判 決抽 樣 取 樣并 / 串 轉(zhuǎn) 換tccoswtcsinw定 時(shí)定 時(shí)IQ數(shù) 據(jù)輸 出 圖 22 QPSK相干解調(diào)框圖 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 通過(guò)用 MATLAB編寫(xiě)腳本程序?qū)?QPSK通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了模擬仿真 ,并對(duì)各模塊進(jìn)行了頻譜分析 , 對(duì)于理解 QPSK系統(tǒng)的性能并在系統(tǒng)上作進(jìn)一步的設(shè)計(jì) ,提供了極大的便 利。 QPSK 解調(diào)原理 QPSK的 解調(diào) 實(shí)際上就是尋求星座圖的逆映射過(guò)程 ,實(shí)際中往往使用相干解調(diào)，對(duì) 正交支路和同相支路分別設(shè)置兩個(gè)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 /串變換后即可恢復(fù)原始信息 。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 載 波 震 蕩9 0 176。 在 QPSK調(diào)制中 ,QPSK信號(hào)可以看作兩個(gè)載波正交的 2PSK調(diào)制器構(gòu)成。數(shù)字調(diào)制用“星座圖”來(lái)描述 ,星座 圖中定義了一種調(diào)制技術(shù)的兩個(gè)基本參數(shù) : 1 信號(hào)分布 。 QPSK中每次調(diào)制可傳輸 2個(gè)信息比特 ,這些信息比特是通過(guò)載波的四種相位來(lái)傳遞的。 ,調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)字序列 ,為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來(lái) ,則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù) ,這就是說(shuō)需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每?jī)蓚€(gè)比特分成一組 ,共有四種組合 ,即 00, 01, 10, 11,其中每一組稱(chēng)為雙比特碼元。 , 225176。 QPSK是在 M = 4時(shí)的調(diào)相技術(shù) ,它規(guī)定了四種載波相位 ,分別為 45176。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 QPSK 調(diào)制 167。他也證明了發(fā)送機(jī)的功率限制、帶寬限制和加性噪聲的影響可以和信道聯(lián)系起來(lái)，合并成一個(gè)單一的參數(shù)，成為信道容量。香農(nóng)在他的開(kāi)拓性研究中采用了信息源和通信信道的概率模型，以統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)將可靠的信息傳輸 基本問(wèn)題表示成公式。這個(gè)濾波器成為最佳線性濾波器。這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在信號(hào)調(diào)制中。哈特萊假定接收機(jī)能可靠地估計(jì)接收信號(hào)幅度在某個(gè)準(zhǔn)確度上，這個(gè)研究使得哈特萊得出了關(guān)于帶限信道可靠通信最大數(shù)據(jù)速率的結(jié)論。奈奎斯特研究在給定帶寬的電報(bào)信道上，無(wú)符號(hào)間干擾的最大信號(hào)傳輸速率。因此，莫爾斯碼是可變長(zhǎng)度信源編碼方法的先驅(qū)。莫爾河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 斯設(shè)計(jì)出一種可變長(zhǎng)度的二進(jìn)制碼，其中英文字母用點(diǎn)劃線的序列表示。電報(bào)由S 2 便于加密處理 3 采用時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路通信 4 設(shè)備便于集成化、小型化 5 占用頻帶較寬