基于systemview的qpsk全數字調制解調器的設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 (2)按已調信號的結構形式可分為線性調制和非線性調制兩種。 (3)按數字調制方式分為調幅、調頻和調相三種基本形式。 數字通信解調設備的構成如圖 12 所示，主要包括解調單元、信碼再生單元和譯碼單元。其中，載波同步和定時同步是解調器的 2 個核心單元，它們直接決定著解調器的誤碼性能。 圖 12 數字通信解調系統框圖 在傳統的數字通信系統中，接收機的解調單元都是用模擬處理方法和器件實現的。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)。這種傳統的模擬解調單元電路體積大、形式復雜，調試周期長而且受人為因素影響大：器件內部噪聲大，易受環境影響，可靠性 差，因此，這種傳統的接收機不能完全發揮數字通信的優勢，不能實現數字信號處理的最佳接收。解調單元的載波同步和定時同步將完全在數字部分完成，而模數轉換器的位置決定了接收機的數字化程度。在全數字解調中，幾乎所有的模擬解調單元和器件都可以對應地找到它的數字化形式，如數已調信號 數字信號 編碼后數據 數字化 編碼單元 調制單元 模擬信號 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 3 字濾波器 (FM或 FIR)、全數字乘法器和數控振蕩器 （ NCO） 等。但全數字解調并不是簡單的將模擬解調中的器件全部數字化，它具有以下的特點： (1)電路結構簡單，易于調試； (2)可以使用復雜的算法，從而實現最佳的接收； (3)便于計算機輔助設計，實現電子 設計自動化 (EDA)； (4)易于集成和大規模生產，價格低廉。 課題的主要研究工作 研究 QPSK 的基本原理； 在此原理基礎上來研究 QPSK 解調的中頻數字下變頻、載波同步和位同步； 掌握 systemview 軟件的使用方法 ， 完成 QPSK 中頻調制解調器各個模塊基于systemview 的仿真 ； 解決調制器的安全性和可靠性問題，分析系統性能問題； 對 系統誤碼率和眼圖 分析，從而判定系統的性能； 探討 QPSK 在實際生活中的應用。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 4 第 2 章 QPSK 調制解調 原理及系統組成 QPSK 調制解調原理及系統組成 相移鍵控是目前擴頻系統中大量使用的調制方式，也是和擴頻技術結合最成熟的調制技術，原則上看是一種線性調制。從基帶變換到中頻以及射頻，中間的頻譜搬移和信號放大需要一個要求較高的線性信道，因而，設計要求較高。 相移鍵控系統中，有待傳輸的基帶數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波。 QPSK 調制器可以看成由兩個 2PSK 調制器構成，輸入的串行二進制序列經過串并轉換后，分成兩路速率減半的序列，然后經過極性轉換后變成兩路雙極 性二電平信號， )(tI 和 )(tQ ，然后跟 t0cos? 和 t0sin? 相乘進行調制，相加后即得到 QPSK 信號。相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數字信息，而振幅和頻率保持不變。 二進制相移鍵控 對于二進制相移 鍵控 （ 2PSK） 來說，通常用初始相位 0和 ? 分別表示二進制“ 1”和“ 0”。 tnTtgaSn snps k 02 c os])([ ?? ?? （ 21） 式（ 21）中， )(tg 是脈寬為 sT 的單個矩形脈沖， na 為二進制數字， ??? ???? 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不同的相位來表征數字信息的調制方式。 QPSK信號可表示為： )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個碼元的載波相位取值， sT 是發送一碼元的持續時間，它將取可能的四種相位之一， )(tg 是發送碼元的波形函數。 n? 是可以取區間 (0 ， ?2 )任何離散值的隨機變量，可取的個數由調制方式的進制來決定石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 5 在 QPSK調制系統中，發送端可取的相位值為四個。 將式（ 22）展開，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 的取值是隨機的離散值，和選定的相位有關， 在星座 圖的映射中對應同相和正交分量，反映其在映射圖中的矢量位置。 對于四種相位的選擇，存在 2/? 體系和 4/? 體系。 2/? 體系對應 0?n ， 2/? ，? ， 2/3? 四個離散值。 4/? 體系對應 4/??n ， 4/3? ， 4/5? ， 4/7? 四個離散值。 從式 (23)可以看出，四相調制的波形，可以看成是對兩個正交載波進行二進制幅度調制信號之和。從 nX 和 nY 的取值，容易發現兩者具有一定的矢量約束關系，保證兩者合成的矢量點在落在同一圓周上。這個關系意味著，系統的非線形失真對 QPSK系統的可靠性影響很小。 在 QPSK 中，數字序列相繼兩個碼元的 4 種組合對應 4 個不同相位的正弦載波，即 00、 0 11 分別對應 )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， Q 表示正交信號。圖 21(b)是 QPSK 星座圖，星座圖中星座間的距離越大，信號的抗干擾能力就越強，接收端判決再生時就越不容易出現誤碼。星座間的最小距離表示調制方式的歐幾里德距離，歐幾里德距離 d 可表示為信號平均功率S 的函數。 QPSK 信號的歐幾里德距離與平均功率的 關系為 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 調制的方案 (1)相位選擇法。直接用數字基帶信號選擇具有所對應相位的載波信號產生 QPSK石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 6 信號的方法稱為相位選擇法。相位選擇法使用的載波是方波。實現框圖如圖 22，其調制器由串并變換電路、相位選擇電路、 四 相載波發生器和帶通濾波器組成，加上碼型變換器就可以實現 QDPSK信號調制。 圖 22 QPSK相位選擇法調制框圖 (2)直接調相法。直接調相法也稱為正交調制法。圖 23是直接調相法產生 QPSK信號的框圖。它由串并變換電路、相乘器、移相器、載波發生器和相加器組成。而且在直接調相法的基礎上增加差分編碼器就可以產生 QDPSK信號。直接調相法產生QDPSK信號的框圖，采用了 2/? 體系。按 2位二進制數組進行輸入，串并變換器將 2位串行輸入數掘轉換為 2位并行數據 a、 b， a、 b碼元寬度加倍并且在時間上同步。差分編碼器將絕對碼 元 a、 b轉換為相對碼元然后通過極性變換器轉換為雙極性碼元，進入相乘器最后經過相加器得到 QDPSK己調波信號 [1]。 圖 23 QPSK直接調相法調制框圖 由圖 23 可知， QPSK 是由兩路 2PSK 信號構成，且兩路信號相互正交的，即相位差相差 090 ，兩路 2PSK 信號相加，即得到 QPSK 信號。該調制是比較常用的 QPSK石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 7 調制方式。 圖 24 QDPSK直接調相法調制框圖 (3)插入脈沖法。 通過在三 級級聯分頻器中插入受控脈沖改變分頻狀態來實現載波相位變化，插入脈沖法的載波也采用方波。 本文采用了直接調相法進行設計。 QPSK 解調原理及方案 QPSK信號的解調常用的有相干正交解調法和差分正交解調法兩種： (1)相干 正交解調法。由多相調制器工作原理可知， QPSK 信號可以看作是由兩個正交 2PSK 信號合成得到的，相干正交解調法的原理是用兩個正交的本地相干載波信號進行相干解調，其解調器框圖如圖 25 所示。相干正交解調法也稱為極性比較法，其解調器由帶通濾波器、相乘器、相干載波發生器、移相器、低通濾波器 、抽樣判決器和并串變換電路構成 [1]。 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 8 圖 25 QPSK相干正交解調法原理框圖 圖 25中， QPSK調制信號先通過帶通濾波器濾除帶外干擾信號，分為三路，一路進入相干載發生器提取本地相干載波，另外兩路輸入到相乘器。相干載波發生器產生的相干載波 to?cos 路直接進入相乘器與 QPSK調制信號相乘，另一路進入移相器進行了 2/? 移相，產生與相干載波 to?cos 正交的載波信號 to?sin ，進入第二個相乘器與QPSK調制信號相乘。兩個相乘器輸出的兩路信號通過低通濾波器和抽樣判決器得到兩路信號，然后通過并串變換電路還原出二進制數字基帶信號。 相干解調中，正交路和同相路分別設置兩個相關器 (或匹配濾波器 )，得到 )(tI 和)(tQ ，經電平判決和并串變換后即可恢復原始信息。當然，如果調制端是差分編碼的，那么解調中并串變換后還需一個差分解碼。 假如已調信號為 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） 石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 9 2 )(2 2c os)(2 2s i n)( tQttQttI oo ??? ?? 經低通濾波器后，可得 2)()(1 tItI ? 2 )()(1 tQtQ ? （ 26） 經過判決電路后，由式（ 26），不難得到如下所示結果（同相電路和正交電路是經過極性轉換的， 1對應于二進制數據 1， 1對應于二進制數據 0） 當 1)(,1)( ???? tQtI 時 )(1tI ＝ 2/1? ， 2/1)(1 ??tQ ，判決后 0)(,0)( ?? tQtI ；當1)(,1)( ??? tQtI ，時 2/1)(1 ??tI ， 2/1)(1 ?tQ ，判決后 1)(,0)( ?? tQtI ；1)(,1)( ??? tQtI 時， 2/1)(1 ?tI ， 2/1)(1 ??tQ ，判決后 0)(,1)( ?? tQtI ； 1)(,1)( ?? tQtI時， 2/1)(1 ?tI ， 2/1)(1 ?tQ ，判決后 1)(,1)( ?? tQtI 。 相干正交解調法解調 4PSK 信號，由于在接收端也要恢復相干載波，因此存在相位模糊的問題，解決方法是采用多進制相對碼來表示多進制數字基帶信號，然后進行4PSK 絕對移相調制得到 4DPSK 信號；在解調器對 4DPSK 信號進行相干解調和差分譯碼恢復出原始數字基帶信號。 (2)差分正 交解調法。 4DPSK 信號可以使用差分檢測法對兩個正交的相干載波進行差分檢測來實現解調，這種方法也稱為相位比較器。 4DPSK 差分解調器原理框圖如圖 26 所示。調制器由帶通濾波器、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差分解調法原理框圖 差分檢測法解調 QPSK信號的原理是對輸入的已調波信號 )(tSQPSK進行延遲和移相產生兩路相互正交的相干載波信號，然后分別于己調波信號 )(tSQPSK相乘，之后通過低通濾波和抽樣判決恢復出 A、 B信號，再進行并串變換電路得到二進制數字基帶石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 10 信號 [1][3]。 解調過程中涉及到信號的采樣、數字下變頻、載波同步、位同步等關鍵技術。 本文在設計過程中采用相干正交解調法進行設計。 QPSK 解調的中頻數字下變頻、載波同步、位同步 數字下變頻 數字下變頻 DDC(Digital Down Converter)是隨著數字信號處理技術的發展而出現的，目前大量使用在數字中頻技術中，它的根本任務就是實現數字中 頻到基帶信號的變換。數字下變頻的組成與模擬下變頻器類似，包括數字混頻器、數字控制振蕩器(NCO)和低通濾波器 (LPF)三部分組成。影響數字下變頻器性能的主要因素有兩個：一是表示數字本振、輸入信號以及混頻乘法運算的樣本數值的 有限字長所引起的誤差；二是數字本振相位分辨率不夠而引起數字本振樣本數值的近似取值。也就是說，數字混頻器和數字本振的數據位數不夠寬，存在尾數截斷的情況；數字本振相位的樣本值存在近似的情況。它主要涉及數振蕩器 NCO，抽取濾波器等技術。 在數字通信系統中，解調器的任務是恢復出傳輸來的原始數據 系列。解調器的構成方案通常可以分為兩類：同步解調和異步解調。兩者的區別在于，同步解調需要一個相干同步的本地載波。一般地說，同步解調性能較為優良。但是，對于抑制載波分量的調制信號來說，要從接收的信號中恢復出參考載波，必須進行相應的處理。 在數字通信中，除了載波同步外，還需要位同步。因為消息是一串連續的碼元系列，解調時必須知道碼元的起止時刻，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中提取位同步信息，而位同步是在發射端專門發射導頻信號的。例如，在基帶信號頻譜的零點，插入所需的導頻信號， 在接收端，利用窄帶濾波器，就可以從解調后的基帶信號中提取所需的同步信息。插入導頻也可以使數字信號的包絡，隨同步信號的某種波形而變化。在相移或頻移鍵控時，在接收端只要進行包絡檢波就可得到同步信號。 載波同步 載波同步電路又稱載波恢復電路，用來從接收信號中提取相干解調所需要的參考載波。這個參考載波要求與接收到的信號中的被調載波同頻同相。接收端恢復相干載波的方法一般分為兩類：一類是在發端，在發送數字信息流的同時發送載波或與它有關的導頻信號，稱為插入導頻法；另一類是從接收的已調信號中提取出載波，稱為直接 法。載波同步系統的主要性能指標是高效率和高精度。所謂高效率是為了獲得載波石家莊鐵道大學四方學院畢業設計 11 信號而盡量少消耗發送功率 [2]。 插入導頻法分為頻域插入導頻和時域插入導頻。 (1)頻域插入導頻 圖 27 插入導頻法的發送端方框圖 )(tS 代表數字信號，由于基帶信號中存在直流分量和極低頻成分。經調制后頻譜將非常靠近載波，這樣在載波處再加入載波導頻將會受到干擾，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頻，對發送的數字信號先進行變換，使其頻譜中 的直流和相鄰的低頻信號濾除或衰減，然后經低通濾波器加給環型調制器，由帶通濾波器取出上、下邊帶送給加法器。同時送給加法器的還有載波移移 90度后得到的t?sin 。發送端必須正交插入導頻，不能加入 t?cos 導頻信號，否則接收端解調后會出現直流分量，這個直流分量無法用低通濾波器濾除，將對基帶信號的提取產生影響。 接收端提取載波的方框圖如圖 28 所示。接收端實際上收到的是 經過信道失真和噪聲干擾后的信號。接收信號中包含有導頻的信號，用一窄帶濾波器取出并移相 90度得到，再用它去解調輸入信號 [3]。 圖 28 接收端提取載波的方框圖 (2)時域插入導頻。時域插入導頻法的時間分配關系如圖 29 所示。在每一幀的數據結構中，除了有一定位數的數字信息外，還要傳送為同步信號、幀同步信號和載波同步信號。在接收端把載波標準提取出來，同本地振蕩器進行比較。若二者相位不同，則產生誤差電壓。