OQPSK调制与解调系统实验

目录目录 一 实验要求及开发环境一 实验要求及开发环境 1 二二 实验原理实验原理 3 2 1 调制方式简介 3 2 2 OQPSK 的含义 4 2 3COSTAS环 6 三三 实验仿真实验仿真 8 3 1COSTAS环单独仿真 8 3 2 OQPSK 调制解调仿真 9 3 2 1 科斯塔斯环 10 3 2 2 串并转换和并串转换 12 3 2 3 误码率测试 12 四四 实验结论实验结论 14 五五 待解决问题待解决问题 14 六六 实验总结实验总结 14 八八 参考文献参考文献 15 1 一 实验要求及开发环境一 实验要求及开发环境 实验要求 1 数字相关器子系统 2 仿真结果分析 实验目的 1 了解 PSK 直序扩频通信系统的基本原理 2 掌握 Systemview 的使用 开发环境 PC 机 开发软件 Systemview Systemview 简介 Systemview 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿的动 态系统分析平台 从滤波器设计 信号处理 完整通信系统的 设计与仿真 直到一般系统的数学模型建立等各个领域 systemview 在友好且功能齐全的窗口环境下 为用户提供了一 个精密的嵌入式分析工具 利用 systemview 可以构造各种复杂的模拟 数字 数模 混合系统和各种多速率系统 可用于各种线性或非线性控制系 统的设计和仿真 其特色是 利用它可以从各种不同角度 以 不同方式 拉要求设计多种滤波器 并可自动完成滤波器的各 种指标一如幅频待件 波特图 传递函数 根轨迹图等之间的转 换 它还可以实时地仿真各种位真的 DSP 结构 并进行各种系 统的时域和频域分析 诺 谱分析 以及对各种逻辑电路 射 2 频 模拟电路 混领器 放大器 RLC 电路 运放电路等 进行 理论分析和失真分析等 二二 实验原理实验原理 2 1调制方式简介调制方式简介 在通信原理中把通信信号按调制方式可分为调频 调相和调幅三种 数字 传输的常用调制方式主要分为 正交振幅调制 QAM 调制效率高 要求传送途径的信噪比高 适合有线 电视电缆传输 键控移相调制 QPSK 调制效率高 要求传送途径的信噪比低 适合卫 星广播 残留边带调制 VSB 抗多径传播效应好 即消除重影效果好 适合地 面广播 编码正交频分调制 COFDM 抗多径传播效应和同频干扰好 适合地面广 播和同频网广播 世广数字卫星广播系统的下行载波的调制技术采用 TDM QPSK 调制体制 它 比编码正交频分多路复用 COFDM 调制技术更适合卫星的大面积覆盖 通信的最终目的是在一定的距离内传递信息 虽然基带数字信号可以在传 输距离相对较近的情况下直接传送 但如果要远距离传输时 特别是在无线或 光纤信道上传输时 则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传 输 为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输 必须对数字信号进行载波 调制 如同传输模拟信号时一样 传输数字信号时也有三种基本的调制方式 幅移键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键控 PSK 它们分别对应于用载波 正 弦波 的幅度 频率和相位来传递数字基带信号 可以看成是模拟线性调制和 角度调制的特殊情况 理论上 数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同 它们都是属正弦波 调制 但是 数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制 而模拟调制则是调 制信号为连续型的正弦波调制 3 在数字通信的三种调制方式 ASK FSK PSK 中 就频带利用率和抗噪声 性能 或功率利用率 两个方面来看 一般而言 都是 PSK 系统最佳 所以 PSK 在中 高速数据传输中得到了广泛的应用 OQPSK 是 PSK 调制方式中的一种 解调是调制的逆过程 调制方式不同 解调方法也不一样 与调制的分类 相对应 解调可分为正弦波解调 有时也称为连续波解调 和脉冲波解调 正 弦波解调还可再分为幅度解调 频率解调和相位解调 此外还有一些变种如单 边带信号解调 残留边带信号解调等 同样 脉冲波解调也可分为脉冲幅度解 调 脉冲相位解调 脉冲宽度解调和脉冲编码解调等 对于多重调制需要配以 多重解调 2 2 OQPSK的含义的含义 OQPSK 也称为偏移四相相移键控 offset QPSK 是 QPSK 的改进型 它 与 QPSK 有同样的相位关系 也是把输入码流分成两路 然后进行正交调制 不 同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期 由于两支路码元半周期的偏移 每次只有一路可能发生极性翻转 不会发 生两支路码元极性同时翻转的现象 因此 OQPSK 信号相位只能跳变 0 90 不会出现 180 的相位跳变 OQPSK 信号可采用正交相干解调方式解调 其原理如图 5 49 所示 由图看 出 它与 QPSK 信号的解调原理基本相同 其差别仅在于对 Q 支路信号抽样判决 时间比 I 支路延迟了 2 这是因为在调制时 Q 支路信号在时间上偏移了 2 所 以抽样判决时刻也应偏移 2 以保证对两支路交错抽样 OQPSK 克服了 QPSK 的 l80 的相位跳变 信号通过 BPF 后包络起伏小 性 能得到了改善 因此受到了广泛重视 但是 当码元转换时 相位变化不连续 存在 90 的相位跳变 因而高频滚降慢 频带仍然较宽 QPSK 数据码元对应的相位变化如图 1 1 所示 OQPSK 数据码元对应相位变 化如图 1 2 所示 I I信信道道 Q Q信信道道 1 1 1 1 0 Q Q信信道道 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I I信信道道 4 图 1 1 QPSK 相位变化图 图 1 2 OQPSK 相位变化 图 对于 QPSK 数据码元对 的相位变换由图 1 1 求得为 可见 在 QPSK 中存在过零点的 180 跃变 对于 OQPSK 数据码元对的相位变化由图 1 2 求得为 可见 在 OQPSK 中 仅存在小于 90 的相位跃变 而不存在过零点跃变 所以 OQPSK 信号的带限不会导致信号包络经过零点 OQPSK 包络的变化小多了 因此对 OQPSK 的硬限幅或非线性放大不会再生出严重的频带扩展 OQPSK 即使 再非线性放大后仍能保持其带限的性质 OQPSK 的调制和相干解调框图如图 1 3 图 1 4 所示 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 4 4 4 3 4 4 2 2 码元对 相位及相位变化 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 码元对 相位及 相位变化 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 4 2 3 4 4 4 3 4 3 4 4 4 4 0 0 2 2 2 2 2 2 2 串串并并变变换换 电电平平产产生生 电电平平产产生生 载载波波 发发生生器器 移移相相90 二二进进制制信信息息 OQPSK信信号号 I t Q t 延延时时Ts 2 cosAt sinAt 5 图 1 3 OQPSK 调制器框图 图 1 4 OQPSK 相干解调器框图 当采用同步解调或相干检测时 接收端需要提供一个与发射端调制载波同 频同相的相干载波 这个相干载波的获取就称为载波提取 或称为载波同步 提取载波的方法一般分为两类 一类是在发送有用信号的同时 在适当的 频率位置上 插入一个 或多个 称作导频的正弦波 接收端就由导频提取出 载波 这类方法称为插入导频法 另一类是不专门发送导频 而在接收端直接 从发送信号中提取载波 这类方法称为直接法 2 3Costas环环 Costas 环用来提取同步载波 又称为同相正交环 其原理框图如下 输入 已调 信号 90 相移 压控振 荡器 环路滤 波器 低通 低通 输出 V3V5 V4V6 V3 V7 V1 V2 在科斯塔斯环中 误差信号 V7 是由低通滤波器及两路相乘提供的 压控振荡器输出信号 直接供给一路相乘器 供给另一路的则是压控振荡器输出经 90 移相后的信号 两路相乘 器的输出均包含有调制信号 两者相乘以后可以消除调制信号的影响 经环路滤波器得到 并并串串变变换换 载载波波 发发生生器器 移移相相9 90 0o o 二二进进制制信信息息 O OQ QP PS SK K信信号号 整整形形判判决决 整整形形判判决决 位位定定时时 恢恢复复 延延时时T Ts s 2 2 6 仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压 从而准确地对压控振荡器进 行调整 恢复出原始的载波信号 现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明 设输入调制信号为 ttm cos 则 2cos cos 2 1 cos cos 3 ttmtttmV ccc 2sin sin 2 1 sin cos 4 ttmtttmV ccc 经低通滤波器后的输出分别为 cos 2 1 5 tmV sin 2 1 6 tmV 将和在相乘器中相乘得到 5 V 6 V 7 V 5 V 6 V 2sin 8 1 2 tm 其中 是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差 当 较小时 7 V 4 1 2 tm 上式中的大小与相位误差 成正比 它就相当于一个鉴相器的输出 用去调整压控 7 V 7 V 振荡器输出信号的相位 最后使稳定相位误差减小到很小的数值 这样压控振荡器的输出 就是所需提取的载波 在 systemview 上的仿真如下 1 在 systemview 器件库中可以直接调出一个 Costas 环仿真图符 只需设置相应的参数即可 该器件图标如左图示 参数设置窗口如下 在 VCO Freq 栏输入锁相环的压控振荡器频率 一般设置为与要提取载波频率非常接 近的值 Mod Gain 为锁相环 VCO 的频率调制增益 另外还需在 Loop Fltr a b 栏输入 锁相环低通滤波器的传输函数的两个系数 7 三三 实验实验仿真仿真 3 1Costas环单独仿真环单独仿真 下面通过连接器件来进行仿真模拟 Costas 环 其中 PN 码发生 图符 17 频率为 10Hz 调制载波 图符 16 为 200Hz IQ 两路低通滤波器 图符 7 和 5 频率设置为 100Hz 环路滤波 图符 9 频率设置为 8 180Hz 增益 图符 11 为 4 增益 图符 4 为 2 Fm 频率调制器件 图符 3 参数设置为 VCO 调制增益为 20Hz V 频率在 194Hz 至 206Hz 之间均可以解调出来原始信号 相位与调制信号相同均为 0 其功 能函数为通过调整增益 G 的大小来改变频率范围 2sin t t c start dxGtfAty 当超过这一频率范围则不能恢复出原始信号 当 Fm 频率为 203Hz 时仿真波形如下 原始信号为 通过解调后波形为 信号基本被恢复出来 若用 Pm 器件进行解调 使频率与调制载波相同 而相位不同 其功能函数为 2sin tGxtfAty c 通过调整增益 G 的大小可以调整相位范围 当超过该相位范围则不能解调出原始信号 这 里不再做仿真 9 3 23 2 OQPSKOQPSK 调制解调仿真调制解调仿真 OQPSK 调制与解调系统总框图 该实验的仿真过程为用一路频率为 10HZ 的 PN 序列作为输入信号 经过串 并转换一路变两路 然后分别用同一频率但相互正交的载波对两路信号分别进 行调制 变为模拟信号 调制后的信号通过一模拟的加性高斯白噪声信道 然 后用一科斯塔斯环进行接收解调 对解调后的信号进行抽样判决再并串转换之 后得到最终解调信号 另外还添加了器件对该系统的误码性能进行统计 3 2 1 科斯塔斯环科斯塔斯环 10 如图所示 科斯塔斯环的工作原理在前面已经介绍过了 它主要是通过频 率调制器 Fm 即图符 72 并不断滤除载波中 2wc 的高频部分 不断循环 从而 使解调时能与发射端的载波同频同相 准确解调的目的 这部分中器件参数设置如下 图符 72 频率调制器 Fm 图符 59 增益 11 图符 69 70 71 73 74 低通滤波器 12 3 2 2 串并转换和并串转换串并转换和并串转换 关键点在于两个方波脉冲频率设置均为 5HZ 即串行数据的一半频率 3 2 3 误码率测试误码率测试 该实验中影响误码率的关键因素为加性高斯噪声的大小 当噪声取不同的值时对应的误码 率分别如下图 13 Std deviation 1 V Std deviation 2 V Std deviation 3 V 可见随着噪声的加大误码率明显增大 并且当噪声增到到一定值时 信号完全被噪声掩盖 误码率达到极限不再增大 14 四四 实验实验结论结论 如图 解调结果和输入的如图 解调结果和输入的 PNPN 序列相比波形几乎完全一致 只是产生了序列相比波形几乎完全一致 只是产生了 0 4s0 4s 的的 时延 说明仿真成功 时延 说明仿真成功 五五 待解决问题待解决问题 全局关联变量的设置 当一个高斯噪声信道的 RBE 测试模型设置基本完毕后 并不能绘出完整正确的 RBE RSN 曲线 还必须将噪声增益控制与系统循环次数进行全局变量关联 使 信道的信噪比 R SN 由 0 dB 开始逐步加大 即噪声逐步减小 噪声每次减 小的步长与循环次数相关 然而具体设置过程中却总是出现系统运行错误 从 而无法完整绘制误码率曲线 六六 实验实验总结总结 这次实验主要内容是实现 OQPSK 的调制与解调 通过串并转换 正交载波调制及载 波恢复和并串转换 其中还引入了科斯塔斯环使解调载波和调制载波同频同相从而正确解 调出输入信号 实验过程较为简单 但是需要注意的细节也不少 通过自己认真实践还是 可以学到不少东西的 在整个做实验的过程中 我搜集了许多资料 也请教过同学 一开始总是不能仿真出 正确的结果 调整参数遇到许多问题 最开始甚至连一些原件的参数都搞不懂是起什么作 用 通过不断的摸索仿真 对仿真波形的观察 逐步了解了每个元件的作用 这次试验让我受益颇多 加深了自己对通信原理课程理论知识的认识程度和对实验的 理解 学会了 Systemview 的操作 在验收时通过老师的讲解 了解到了自己实验中不足的 15 地方 以及许多原理上的推导过程 实验心得体会 1 善于查找资料 同样开始做一个实验 有一本好的指导书 就比别人起步要高 做实验也是事半功倍 有 很多不会的 不懂的问题都可以从书中找到答案 实在前任的基础上前进 在做实验的过 程中遇到的问题都可以到网上或查阅资料找寻答案 在本次实验中 在网上找寻答案对我 有很大的帮助 2 团队