论文-QPSK调制技术.doc

兰州交通大学博文学院兰州交通大学博文学院QPSK调制技术班 级:07级通信2班指导老师:何巨峰 老师学生姓名：蒋一宁学 号：2007910282日 期：2010年4月10日前 言 在实际通信中，无线信道不适合传送基带信号，必须利用频带信号传送信息，即利用高频载波调制数字信号。载波有振幅、频率和相位3个变量，而二进制的信号用逻辑1和0代表高低电平，调制的过程可用键控的方法由基带信号对载波信号的振幅、频率及相位进行调制，即振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(BPSK)三种基本数字调制方式。为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。QPSK数字调制系统的信息传输速率是BPSK的2倍，在恒参信道中传输可以获得最佳接收性能，在接收机噪声的作用下有最低的误码率。四相相移键控信号简称“QPSK”。它分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。 QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。 在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。关键词：QPSK（四相相移键控信号） 数字调制方式 /4-QPSK调制目 录第一章 QPSK的概述 31.1 什么是QPSK 31.2 QPSK的发展历程 3第二章 QPSK的理论 52.1 QPSK的基本原理 52.1.1 QPSK调制原理 52.1.2 QPSK解调原理 52.1.3 QPSK信号的功率谱密度 92.2 QPSK调制器 102.2.1 数字调频 102.2.2 数字调相 102.2.3 正交相移调制 112.3 QPSK的特点 162.4 QPSK存在的问题 182.5 /4-QPSK调制 182.5.1 /4-QPSK调制的基本概念 182.5.2 /4-QPSK调制原理分析 192.5.3 /4-QPSK调制与QPSK调制的比较 20第三章 QPSK的应用 22第一章 QPSK的概述1.1 什么是QPSK四相相移键控信号简称“QPSK”。它分为绝对相移和相对相移两种。由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。 QPSK是英文Quadrature Phase Shift Keying的缩略语简称，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。1.2 QPSK的发展历程早在本世纪初人们就了解通讯的重要性。从电子时代初期开始，随着技术的不断发展，本地通讯与全球通讯的之间壁垒被打破，从而导致我们世界变得越来越小，人们分享知识和信息也更加容易。贝尔和马可尼可谓通讯事业的鼻祖，他们所完成的开拓性工作不仅为现代信息时代奠定了基础，而且为未来电讯发展铺平了道路。 传统的本地通讯借助于电线传输，因为这既省钱又可保证信息可靠传送。而长途通讯则需要通过无线电波传送信息。从系统硬件设备方面考虑这很方便省事，但是从传送信息的准确性考虑，却导致了信息传送不确定性增加，而且由于常常需要借助于大功率传送设备来克服因气象条件、高大建筑物以及其他各种各样的电磁干扰。 各种不同类型的调制方式能够根据系统造价、接收信号品质要求提供各种不同的解决方案，但是直到不久以前它们大部分还是属于模拟调制范畴，频率调制和相位调制噪声小，而幅度调制解调结构要简单的多。最近由于低成本微控制器的出现以及民用移动电话和卫星通信的引入，数字调制技术日益普及。数字式调制具有采用微处理器的模拟调制方式的所有优点，通讯链路中的任何不足均可借助于软件根除，它不仅可实现信息加密，而且通过误差校准技术，使接收到的数据更加可靠，另外借助于DSP，还可减小分配给每个用户设备的有限带宽，频率利用率得以提高。 如同模拟调制，数字调制也可分为频率调制、相位调制和幅度调制，性能各有千秋。由于频率、相位调制对噪声抑制更好，因此成为当今大多数通讯设备的首选方案。第二章 QPSK的理论2.1 QPSK的基本原理2.1.1 QPSK调制原理QPSK又叫四相绝对相移调制，它是一种正交相移键控。QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将每两个比特编为一组，然后用四种不同的载波相位来表征。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表2-1所示，矢量关系如图2-1所示。图2-1（a）表示A方式时QPSK信号矢量图，图2-1（b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A方式中：45、135、225、315，则数据、通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值kIkQ2/2；B方式中：0、90、180、270，则数据、通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值1、0。表2-1 双比特码元与载波相位关系图2-1 QPSK信号的矢量图下面以A方式的QPSK为例说明QPSK信号相位的合成方法。串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行序列，然后通过基带成形得到的双极性序列（从D/A转换器输出，幅度为2/2）。设两个双极性序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图1-2中虚线矢量，将两路输出叠加，即得到QPSK调制信号，其相位编码关系如表2-2所示。图2-2 矢量图表2-2 QPSK信号相位编码逻辑关系用调相法产生QPSK调制器框图如图2-3所示。图2-3 QPSK调制器框图由图2-3可以看到，QPSK的调制器可以看作是由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串并变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号I（t）和Q（t），然后对cosAt和sinAt进行调制，相加后即可得到QPSK信号。经过串并变换后形成的两个支路如图2-4所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即I支路；另外一路称为正交支路，即Q支路。图2-4 二进制码经串并变换后码型2.1.2 QPSK解调原理由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图2-5所示。图2-5 QPSK解调原理框图2.1.3 QPSK信号的功率谱密度一个未滤波QPSK信号的功率谱密度为式中C为通过1电阻的归一化平均信号功率，Tb=1/fb为比特持续时间。假定调制器中使用了具有升余弦函数均方根特性、滚降系数为（最佳特性时）的频谱成形滤波器，则很容易得到QPSK信号滤波后的频谱，如图2-6所示。图2-6 QPSK信号功率谱密度由图2-6可知QPSK信号带宽为（1+）fs故谱效率为可见，最小带宽的情况，即=0时，QPSK系统的理论谱效率为2b/sHz-1。目前的技术可使实际滤波器的滚降系数降到0.2，则谱效率实际可达17b/sHz-1左右。2.2 QPSK调制器2.2.1数字调频对传统的模拟频率调制(FM)稍加变化，即在调制器输入端加一个数字控制信号，便得到由两个不同频率的正弦波构成的调制波，解调该信号很简单，只需让它通过两个滤波器后就可将合成波变回逻辑电平信号。通常，这种调制方式称为频移键控(FSK)。2.2.2数字调相数字相位调制(或相移键控-PSK)与频率调制很相似。不过它的实现是通过改变发送波的相位而非频率，不同的相位代表不同的数据。PSK最简单的形式为，利用数字信号对两个同频、反相正弦波进行控制、不断切换合成调相波。解调时，让它与一个同频正弦波相乘，其乘积由两部分构成：2倍频接收信号的余弦波；与频率无关，幅度与正弦波相移成正比的分量。因此采用低通滤波器滤掉高频成分后，便得到与发送波相应的原始调制数据。仅从概念上难以描述清楚，稍后我们将对上述结论进行数学证明。2.2.3正交相移调制如果对上述PSK概念进一步延伸，可推测调制的相位数目不仅限于两个，载波应该能够承载任意数目的相位信息，而且如果对接收信号乘以同频正弦波就可解调出相移信息，而它是与频率无关的直流电平信号。正交相移调制(QPSK)正是基于该原理。利用QPSK，载波可以承载四种不同的相移(4个码片)，每个码片又代表2个二进制字节。初看这似乎毫无意义，但现在这种调制方式却使同一载波能传送2比特的信息而非原来的1比特，从而使载波的频带利用率提高了一倍。下面给出了解调相位调制信号和进而的QPSK信号。首先定义欧拉公式，然后利用大量的三角恒等式进行证明。有欧拉公式：把两个正弦波相乘，得：从上式可以看出，两个同频正弦波 (一个为输入信号，另一个为接收混频器本振信号) 相乘，其乘积为一个幅度只有输入信号一半、 频率加倍的高次谐波迭加一个幅度为1/2的直流偏置。类似地，与相乘的结果为：只有二次谐波，无直流成分。现在可以推断，与任意相移的同频正弦波相乘，其乘积-解调波，均含有输入信号的二次谐波，同时还包括一个与相移有关的成分。证明如下：上述等式验证了前面推断的正确性，即包含于载波中的相移可用同频的本振正弦波对其相乘，然后通过一低通滤波器滤波，便解调出与相移多少相对应的不同的成分。不幸的是，上式仅限于两相限应用，因为它不能把/2与-/2相移区分开。因此，为了准确地解调出分布于四个相限的相移信息，接收端需要同时采用正弦型和余弦型本振信号对输入信号做乘积，滤掉高次谐波再进行数据重构。其证明过程即上述数学证明的延伸，如下所示：一个SPICE模型验证了上面的理论。图2-7A显示了简单的解调器电路的框图。在QPSK IN的输入电压是一个1MHz的正弦波， 它的相位每个5s被变换一次，状态分别是45, 135, 225 和315。图2-7A图2-7B和图2-7C分别显示了同相电压波形Vi和正交电压波形Vq。它们都是带有与相位偏移成比例的DC偏移的2MHz频率的信号，这就验证上面的数学推理。图2-7B 图2-7C 图2-7D是一个显示QPSK IN的相位偏移和解调数据的矢量图。图2-7D上述理论很容易被接受，根据它，从载波中获得信息很简单，只要在接收端混频器输出加上一级低通滤波器，再对数据重新组合，便能将它们变为相应的逻辑电平信号。然而在实际应用中，要得到与输入信号准确同步的本振信号并非易事。如果本振信号的相位相对于输入信号有变化，则相量图中的信号会旋转变化，其大小等于两者的相位差。更进一步，如果本振信号的相位与频率相对输入信号均在变化，则相量图中的相量会不断地旋转变化。2.3 QPSK的特点四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45，135，225，275，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。数字调制用“星座图”来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：（1）信号分布；（2）与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系，这种关系称为“映射”，一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义，即可由星座图来完全定义。首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m，R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行调制，相加后即得到QPSK信号。QPSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式, 它被广泛应用于各种通信系统中. 适合卫星广播。例如，数字卫星电视DVB2S 标准中，信道噪声门限低至4. 5 dB，传输码率达到45M bit/s，采用QPSK 调制方式，同时保证了信号传输的效率和误码性能。2.4 QPSK存在的问题虽然QPSK调制具有比2PSK调制频带利用率提高一倍的优点，但，QPSK调制的载波都有4种相位变化，或oo、0、180、270，或45。、135。、225。、315。当载波相位突变，特别是出现180突变时，载波包络为零，使载波信号功率谱扩展，从而造成信号带限失真。2.5 /4-QPSK调制2.5.1/4-QPSK调制的基本概念为改进QPSK调制信号的频谱特性，把QPSK调制的A、B两种方式的矢量图合二为一，并且使载波相位只能从一种模式(A或B)向另一种模式(B或A)跳变，其中，“ ”表示QPSK调制A方式的矢量图，“o”表示QPSK调制B方式的矢量图，从而构成/4-QPSK调制的矢量图，如图2所示。矢量图2-8中的箭头表示载波相位的跳变路径，显然，相位变化只有土45。和土135。4种状态，不存在180o相位跳变，因此，较QPSK调制具有更好的频谱特性。图2-84QPSK调制的矢量图2.5.2 /4-QPSK调制原理分析/4-QPSK调制的系统框图如图2-9所示，在QPSK调制系统的基础上，增加了一个映射逻辑电路。输入的数据流经串并电路后，变换成双bit符号，输至映射逻辑电路，其中.映射逻辑电路的功能为图2-9/4-QPSK调制系统框图其中， k是输入双址符号 所对应的相移值，相移值的大小符合表1所示规律。需要说明的是，与图2-9对应的相移值是QPSK调制的B方式；和 分别为双bit符号与经映射逻辑变换输出的同相和正交支路双bit符号；和分别为双bit符号与 经映射逻辑变换后输出的同相和正交支路双bit符号。表2-3 QPSK调制的工作方式与有(0，0)，(0，1)，(1，0)，(1，1)4种组合，经映射逻辑变换后，输出有8种取值组合：(1，0)，(1/，1/)，(1，0)，(一1/ ，1/)，(一1，0)，(一1/ ，一1/ )，(一1，0)，(1/ ，一1/)，如图2-8所示。在映射逻辑输出的数据流中，第k个同相正交双bit符号的合成相位值用k表示；第k一1个同相