实验一 四相移相键控(QPSK)调制及解调实验 - 图文

实验一 四相移相键控（QPSK）调制及解调实验

一、 实验目的

1. 了解QPSK调制解调原理及特性。

2. 了解载波在QPSK相干及非相干时的解调特性。

二、 实验内容

1. 观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。 2. 观察IQ调制解调过程中各信号变化。

3. 观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。

三、 基本原理

1. QPSK调制原理

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1-1所示，矢量关系如图1-1所示。

表1-1 双比特码元与载波相位关系

双比特码元 a 0 1 1 0

(0,1)(1,1)(1,0)载波相位 B 0 0 1 1 A方式 225° 315° 45° 135° B方式 0° 90° 180° 270° 45°参考相位(1,1)0°(0,0)参考相位(0,0)(1,0)(0,1)(a)(b)

图1-1 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1-2所示。

b(0)(-1,1)(1,1)a(1)a(0)(-1,-1)b(1)(1,-1)

图1-2 矢量图

表1-2 QPSK信号相位编码逻辑关系 a b a路平衡调制器输出 b路平衡调制器输出 合成相位 1 1 0° 90° 45° －1 1 180° 90° 135° －1 －1 180° 270° 225° 1 －1 0° 270° 315° 用调相法产生QPSK调制器框图如图1-3所示。

电平产生I(t)Acos?t二进制信息串并变换载波发生器移相90o电平产生Q(t)Asin?tQPSK信号图1-3

QPSK调制器框图

0+1-1Q(t)11011101010011011100I(t)1000010+1-1 图1-4 二进制码经串并变换后码型

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1-5所示。

整形载波发生器移相90o整形判决判决QPSK信号位定时恢复并串变换二进制信息 图1-5 QPSK解调原理框图

四、 实验原理

1. 实验模块简介

本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块及PSK载波恢复模块。 （1）基带成形模块：

本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。 （2）IQ调制解调模块：

本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。 （3）码元再生模块：

本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。

（4）PSK载波恢复模块：

本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。 2. 实验框图及电路说明 a、QPSK调制实验

I-OUTI-INID/A转换器（DAC0832）PN31NRZ INNRZ-I乘法器（MC1496）输出COS输出数字BS信源串/并转换NRZ-Q波形选择地址生成器波形选择地址生成器EEPROM（AT2864）EEPROM（AT2864）D/A转换器（DAC0832）Q-OUT21.4M载波反相二分频二分频SIN加法器（运放）QPSK信号基带成型 乘法器（MC1496）Q-INQIQ调制 图1-6 QPSK调制实验框图

QPSK调制的实验框图如图1-6所示，基带成形模块产生的PN码（由PN31端输出，码型为111100010011010）输入到串并转换电路中（由NRZ IN端输入）进行串并转换，成为IQ两路基带信号，输出的IQ两路数字基带信号（观测点为NRZ-I，NRZ-Q），经波形预取电路

判断，取出相应的模拟基带波形数据，经D/A转换后输出（观测点为I-OUT，Q-OUT，分别于NRZ-I，NRZ-Q波形反相）。IQ两路模拟基带信号送入IQ调制解调模块中的IQ调制电路分别进行PSK调制，然后相加形成QPSK调制信号，经放大后输出。QPSK已调信号载波为10.7MHz，是由21.4MHz本振源经正交分频产生。

b. QPSK解调实验

输入QPSK信号I-OUTI-INI乘法器（MC1496）COS低通滤波整形抽样判决NRZ二分频输入载波BS并/串变换位同步恢复反相二分频SINIQ解调 乘法器（MC1496）低通滤波Q-OUTQ-IN整形抽样判决码元再生 Q图1-7 QPSK解调实验框图

五、 实验步骤

1. 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和PSK载波恢复模块。 2. QPSK调制实验。

a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接：

源端口 基带模块：PN31 基带模块：I-OUT 基带模块：Q-OUT 目的端口 基带模块：NRZ IN IQ模块：I-IN IQ模块：Q-IN 连线说明 提供PN31伪随机序列 串并变换后的I路信号输入 串并变换后的Q路信号输入 * 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。

b、按基带成形模块上“选择”键，选择QPSK模式（QPSK指示灯亮）。

c、用示波器观察基带模块上“I-OUT”及“Q-OUT”测试点，并分别与“NRZ IN”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。

d、用频谱分析仪观测调制后QPSK信号频谱（可用数字示波器上FFT功能替代观测），观测点为IQ模块调制单元的“输出”端（TP4） 3. QPSK相干解调实验。

a、关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：

源端口 IQ模块(载波单元)：输出（J5） 目的端口 IQ模块(载波单元)：输入（J4） IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2） IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3） * 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。

b、示波器探头分别接IQ解调单元的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调波形。 c、对比观测解调前后的I路信号

示波器探头分别接IQ模块的“I-OUT”端及的“I-IN”端，注意观察两者是否一致。

d、对比观测解调前后的Q路信号

示波器探头分别接IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。 a、关闭实验箱总电源，保持步骤2、3中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接：

源端口 IQ模块：I-OUT 目的端口 再生模块：I-IN 连线说明 将解调后的I路信号进行抽样判决 将解调后的Q路信号进行抽样判决 IQ模块：Q-OUT 再生模块：Q-IN b、按再生模块上“选择”键，选择QPSK模式（QPSK指示灯亮）。 c、对比观测原始NRZ信号与再生后的NRZ信号

示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致（注意解调出的NRZ码与输入的NRZ码存在延迟）。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤2重新实验。 5. 观测载波非相干时信号波形

断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与PSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时载波不同步。从步骤2开始再次观察各信号。

六、 思考题

2. 实验中，如果I、Q支路接反，即I接到Q，Q接到I，会有正确结果吗？为什么？ 答：不会。如果I、Q支路接反，则在输出端不会有任何输出。

七、实验测试曲线

2.“I-OUT”测试点与“NRZ IN”测试点的信号进行对比:

“Q-OUT”测试点与“NRZ IN”测试点的信号进行对比:

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