loading实验九、QPSK、QDPSK调制与解调
一、实验目的
1、掌握QPSK调制与解调的基本原理及实现方法。 2、掌握QDPSK调制与解调的基本原理及实现方法。 3、分析QPSK、QDPSK系统的有效性和可靠性。
二、实验原理
为提高通信的有效性，最常用的办法的是采用多进制的数字调制。MPSK和MDPSK就是多进制的数字相移键控即多相制信号，前者称为多进制绝对相移键控，后者称为多进制相对（差分）相移键控，它们都用M个相位不同的载波来表示M个不同的符号。一般来说，有M?2，因此，一个符号可以代表n bit的二进制码元。
1、QPSK信号分析
QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控）又叫四相绝对相移键控（4PSK），它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2bit信息，故每个四进制符号又被称为双比特码元。把组成双比特码元的前一信息比特记为a码，后一信息比特记为b码，为使接收端误码率最小化，双比特码元（a，b）通常按格雷码（Gray code）方式排列，即任意两个相邻的双比特码元之间只有一个比特发生变化。图9.1给出了双比特码元（a，b）与载波相位的对应关系，其中图（a）表示A 方式，图（b）表示B方式。
n
图9.1 QPSK信号相位矢量图 （a）A方式（?/2系统） （b）B方式（?/4系统）
表9.1 双比特码元与载波相位之间的对应关系 双比特码元 载波相位?n a 0 0 1 1 b 0 1 1 0 A方式 90° 0° 270° 180° B方式 235° 135° 45° 315° 根据相位矢量图，得到双比特码元与载波相位之间的对应关系，如表9.1所示。 A方式的QPSK信号可表示为
ns(t)?cos(?ct??n)?cos(?ct??)，n?0, 1, 2, 3
2B方式的QPSK信号可表示为
s(t)?cos(?ct??n)?cos(?ct?2n?1?)，n?0, 1, 2, 3 4由于QPSK信号普遍采用正交调制（又称IQ调制）法产生，故QPSK信号统一表示为
s(t)?cos(?ct??n)?I?cos?ct?Q?sin?ct
这样，将a码送入I路，b码送入Q路，然后将I路信号与载波cos?ct相乘，Q路信号与正交载波sin?ct相乘，之后通过加法器相加，即可得到QPSK信号。
2、QPSK调制
以B方式为例，QPSK信号的产生方法有两种：一是正交调制法，二是相位选择法。 （1）正交调制(IQ调制)法
二进制调相信号通常采用键控法，而多进制调相信号普遍采用IQ调制法产生。正交调制法产生QPSK信号的原理框图如图9.2所示，它可以看成由两个2PSK调制器构成，上支路将a码与余弦载波相乘，下支路将b码与余弦载波相乘，这样产生载波相互正交的两路2PSK信号，再将这两路信号相加，通过矢量合成便是QPSK信号。
a相乘电路cos?0t相干载波产生?/2相移-sin?0tb相乘电路相加电路s(t)(0, 1)b(1)(1, 1)A(t)串/并变换a(0)a(1)(0 , 0)b(0)(1, 0)图9.2 正交调制法产生QPSK信号 （a）原理框图 （b）矢量合成原理 图中输入的数字基带信号A(t)是二进制的单极性不归零码，通过“串/并变换”电路变成并行的两路码元a和b后，其每个码元的传输时间是输入码元的2倍，且单极性信号将变为双极性信号。其变换关系式将“1”变为“+1”、“0”变为“-1”。“串/并变换”过程如图9.3所示，图中0、1、2等表示为二进制基带码元的序号。
从电路实现的角度看，串并变换实现了双比特码元和I、Q两路信号幅度之间的映射，如表9.2所示。IQ信号幅度只有2种取值，设为1/2是为了保证输出QPSK信号幅度为1。
0011234(a) 输入基带码元24(b) 并行支路a码元35(c) 并行支路b码元5ttt
图9.3 串/并变换电路工作原理
表9.2 双比特码元与IQ信号幅度及载波相位之间的映射关系 双比特码元ab 00 01 11 10 （2）相位选择法
相位选择法原理框图如图9.4所示。图中载波产生器产生四种相位的载波，经逻辑选择电路，根据输入信息a和b，决定选择哪个相位的载波输出，然后经过带通滤波器滤除高频分量。这种方式适合用于载频较高的场合。
I、Q路信号（幅度） ?1/2，?1/2 ?1/2，?1/2 ?1/2，?1/2 ?1/2，?1/2 I、Q路调制后相位 合成相位?n ?，3?/2 ?，?/2 0，?/2 0，3?/2 5?/4 3?/4 ?/4 7?/4 串/并变换ab相位选择带通滤波?1?2?3?44相载波产生器图9.4 相位选择法产生QPSK信号的原理框图
3、QPSK解调
相乘cos?0ts(t)低通载波提取抽判 a定时提取并/串bA(t)?/2-sin?0t相乘低通抽判
图9.5 QPSK信号解调原理框图
QPSK信号的解调可以用两个正交的载波信号实现相干解调，如图9.5所示。由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，所以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。相干解调后的两路并行码元a和b，经过并/串变换后，可恢复出原串行信息。这种解调仍然存在相位模糊现象。
4、QDPSK调制
为了克服QPSK的相位模糊现象，人们常采用QDPSK调制，即用相邻码元载波相位的相对变化来表示数字基带信号，它可以理解为四进制的相对（差分）相移键控。
将表9.1中的?n换成??n，即得QDPSK信号的编码规则，此时??n是本码元载波相位相对于前一码元的相位变化。QDPSK信号产生方法与QPSK信号的产生方法类似，只需在图9.2（a）中发送端串/并变换后增加差分编码器，即可获得QDPSK信号。
a相乘电路cos?0t相干载波产生?/2相移-sin?0tb相乘电路相加电路s(t)cA(t)A(t)串/并变换a串/并变换差分编码器bd
图7-37 第一种QPSK信号产生方法 图9.6 正交调制法产生QDPSK信号的原理框图
关于差分编码：发送端差分编码的实现常用“模4加”电路，如图9.7所示。
图9.7 差分编码的实现 （a）模4加电路 （b）模与双比特码元的对应关系 模4加的运算法则是：相加之值<4，其和为结果值；相加之值>4，其和减4为结果值；相加之值=4，结果值为0。例如：